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    Cómo reaccionan los fluidos elásticos a las superficies onduladas

    Este diagrama de fases resume los resultados de un estudio realizado por la Unidad de Micro / Bio / Nanofluidos sobre el flujo de fluidos viscoelásticos sobre superficies onduladas. Los patrones de flujo dependen de la elasticidad del fluido (encapsulado por Sigma, en el eje vertical) y la profundidad del canal en relación con la longitud de onda de la superficie (que es alfa, en el eje horizontal). La esquina inferior derecha del diagrama es la región específica donde la elasticidad y la profundidad del canal están en un "punto óptimo, ”Por lo que se combinan para dar como resultado la amplificación de la vorticidad en la“ capa crítica ”. Crédito:Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa

    Los fluidos viscoelásticos están en todas partes, ya sea corriendo por tus venas o por 1, 300 kilómetros de tubería en el Oleoducto Trans-Alaska. A diferencia de los fluidos newtonianos, como aceite o agua, Los fluidos viscoelásticos se estiran como una hebra pegajosa de saliva. Las cadenas de moléculas dentro de los fluidos les otorgan este superpoder, y los científicos todavía están trabajando para comprender cómo afecta su comportamiento. Investigadores de la Universidad de Graduados del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa (OIST) nos han acercado un paso más al demostrar cómo fluyen los fluidos viscoelásticos sobre superficies onduladas, y sus resultados son inesperados.

    "Para mí no fue intuitivo, y he trabajado con estos fluidos durante casi 20 años, "dijo Simon Haward, líder de grupo en la Unidad de Micro / Bio / Nanofluídica y primer autor del estudio. El papel, publicado en Física de fluidos el 5 de noviembre 2018, es el tercero de una serie de tres estudios que ponen a prueba las nuevas teorías de los fluidos viscoelásticos.

    Un acto de desaparición fenomenal

    Cuando el agua fluye a través de un tubo liso, su movimiento es uniforme en todas partes. Pero cuando el agua entra en contacto con una superficie ondulada, se rompe como la marea a la orilla del mar. El agua reacciona a cada pico y valle de la ola disruptiva, arrojados en remolinos en espiral conocidos como vórtices. El movimiento giratorio conocido como vorticidad, es más pronunciado cerca de la pared ondulada y se disipa a una distancia calculable.

    Los científicos han sido testigos de este escenario en innumerables ocasiones en el agua y otros fluidos newtonianos. Pero antes de ahora experimentos análogos nunca se habían realizado en fluidos viscoelásticos, que se predice que se comportarán de manera muy diferente. Los investigadores de la OIST se propusieron llenar ese vacío en la literatura.

    Los investigadores de la Unidad de Micro / Bio / Nanofluidos capturan instantáneas del fluido que fluye sembrándolo con partículas trazadoras, como se muestra aquí. Cada imagen se captura en un momento diferente en el tiempo, por lo que las partículas se han movido de posición de un fotograma al siguiente. Crédito:Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa

    El trabajo teórico reciente sugiere que las ondas envían fluidos viscoelásticos girando de manera muy similar a los fluidos newtonianos, pero con una diferencia clave. Mientras que el movimiento de remolino inducido en los fluidos newtonianos decae con la distancia, Los vórtices en los fluidos viscoelásticos pueden en realidad amplificarse a una distancia específica. Esta región de acción amplificada se ha denominado la "capa crítica" en teoría, pero no se había observado experimentalmente.

    "La ubicación de esta capa crítica depende de la elasticidad del fluido, "dijo Haward. Cuantas más cadenas de moléculas, o polímeros, un fluido contiene, él dijo, cuanto más elástico se vuelve. Cuanto más elástico es el fluido, cuanto más se aleja la capa crítica de la pared ondulada. Llega un momento en que el fluido es tan elástico, y la capa crítica tan lejana, que los vórtices en espiral cerca de la pared ya no se ven afectados por ella.

    "Normalmente, pensamos que si un fluido es más viscoelástico, verás efectos más extraños, "Haward dijo." Pero en este caso, cuando el fluido es muy elástico, el efecto observable desaparece ".

    Los investigadores de la Unidad de Micro / Bio / Nanofluidos capturan instantáneas del fluido que fluye sembrándolo con partículas trazadoras, como se muestra aquí. Cada imagen se captura en un momento diferente en el tiempo, por lo que las partículas se han movido de posición de un fotograma al siguiente. Crédito:Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa

    Llenar lagunas críticas en el conocimiento

    En investigaciones anteriores, la Unidad de Micro / Bio / Nanofluídica diseñó experimentos y equipos especializados para capturar estas capas críticas en acción. Sus esfuerzos dieron como resultado la primera evidencia experimental del fenómeno. Ahora, los investigadores han construido un gráfico detallado que describe cómo se desplaza la capa crítica cuando se ensancha el canal, se alarga la longitud de onda o se aumenta el caudal del fluido.

    "Fue sorprendente porque la teoría parecía contradictoria, pero nuestros resultados experimentales cayeron exactamente en el mismo diagrama de fase que predijo la teoría, "dijo Haward." Básicamente, nuestros experimentos confirmaron completamente la teoría ".

    La investigación exhaustiva establece un fuerte punto de partida para futuros estudios de fluidos viscoelásticos. Las propiedades fundamentales de estos fluidos elásticos tienen implicaciones directas en la industria petrolera, medicina y biotecnología, y ayudar a dar forma al mundo que nos rodea. Con este estudio, Los científicos ahora pueden comenzar a factorizar la capa crítica en sus cálculos, lo que puede ayudar a mejorar las aplicaciones o encontrar nuevas vías para los fluidos viscoelásticos en su investigación.

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