En 1883, Osborne Reynolds vertió tinta en agua a través de un tubo corto y transparente para observar su movimiento. Sus experimentos demostraron que a medida que aumentaba la velocidad del agua de entrada, el flujo pasaba de laminar (suave y predecible) a turbulento (inestable e impredecible) con el desarrollo de parches locales de turbulencia, lo que hoy se llama “bocanadas”. Su trabajo ayudó a lanzar el campo de la mecánica de fluidos, pero, como suele ocurrir con los experimentos, planteó más preguntas. Por ejemplo, ¿por qué se produce esta transición entre flujo laminar y turbulento y cómo se puede caracterizar cuantitativamente la transición?
Aunque Reynolds no pudo encontrar la respuesta, un equipo internacional de investigadores, dirigido por el distinguido profesor de física de la Universidad de California en San Diego, Nigel Goldenfeld, y Björnhof del Instituto de Ciencia y Tecnología de Austria utilizaron la mecánica estadística para resolver un problema de larga data. . . Veo su trabajo. Física de la naturaleza.
Lo novedoso de este trabajo fue que el equipo abordó el problema no sólo desde la perspectiva de la mecánica de fluidos, sino también a través de la mecánica estadística, la rama de la física que utiliza las matemáticas para describir el comportamiento de grandes sistemas con partículas numéricas. . Por lo general, esto se aplica a sistemas en equilibrio, pero la turbulencia no está en equilibrio porque la energía se transfiere constantemente dentro y fuera del fluido. Sin embargo, basándose en su trabajo anterior, el equipo demostró que los fluidos se mueven a través de una tubería en el punto de transición entre el flujo laminar y el turbulento, en una transición de fase de no equilibrio, llamada percolación dirigida. Si la “percolación” le hace pensar en el café de la mañana, aquí le proporciona un ejemplo útil.
Una tormenta en una taza de café
Cuando se gotea el café, el agua pasa a través de los posos del café a una determinada velocidad y fluye hacia abajo en la dirección de la gravedad. Este flujo se llama percolación dirigida. Muy rápido y bastante débil; Demasiado lento y el agua retrocede y se derrama sobre el mostrador. La mejor taza de café es aquella en la que el agua fluye lo suficientemente lento como para absorber la mayor cantidad de sabor de los granos, pero lo suficientemente rápido como para pasar a través del filtro sin retroceder. Y esa taza de café perfecta ocurre durante lo que se llama una transición de percolación dirigida.
Puede que esto no parezca relevante para la turbulencia de fluidos, pero en trabajos anteriores, el equipo y otros investigadores en el campo tenían evidencia de que las transiciones de percolación dirigida tienen las mismas propiedades estadísticas que las transiciones turbulentas laminares.
“Este problema existe desde hace 150 años y se necesita un poco de pensamiento no convencional para resolverlo”, dijo Goldenfield, quien también ocupa cargos en la Escuela de Ingeniería Jacobs y el Instituto de Ciencia de Datos de Halișoara Oulu. “Y tiempo. Algunos miembros del equipo han estado trabajando en este aspecto del problema durante más de una década”.
De hecho, en 2016, el grupo de Hoff estudió experimentalmente la transición laminar turbulenta en una geometría circular, al mismo tiempo que Goldenfeld y sus colegas desarrollaron su teoría de la transición laminar turbulenta.
Aunque el grupo de Hoff demostró la percolación directa en una geometría circular, lo que sucede en una geometría abierta como una tubería aún no está claro. Además, los experimentos con la geometría de las tuberías no son prácticos. Si bien un círculo nunca se termina, los investigadores estimaron que una sola tubería requeriría una longitud de 2,5 millas para realizar el mismo experimento, y se necesitarían siglos para recopilar los puntos de datos necesarios.
Para progresar, el equipo hizo dos cosas. Primero, utilizaron un sensor de presión para observar las bocanadas en una tubería y midieron con precisión cómo las bocanadas afectaban los movimientos de los demás. Al ingresar los datos en una simulación por computadora de dinámica molecular, pudieron demostrar que, estadísticamente, el comportamiento de la bocanada concordaba excelentemente con la migración por percolación dirigida, cercana a la migración turbulenta laminar.
En segundo lugar, utilizaron mecánica estadística para predecir matemáticamente el comportamiento de las bocanadas, utilizando técnicas de la física de transición de fase. Esto también validó la hipótesis de una transición colisional dirigida.
A través de esta investigación, el equipo también descubrió algo inesperado tanto a partir de experimentos detallados como de la teoría mecánica estadística: al igual que los automóviles en una autopista durante las horas pico, las bocanadas están sujetas a atascos. Si una bocanada llena el ancho del tubo, nada puede pasar, lo que significa que se pueden formar otras bocanadas detrás de ella. Y así como uno podría preguntarse por qué ocurren los atascos de tráfico y por qué desaparecen sin razón aparente, los atascos pueden formarse y terminar por sí solos, como explica la mecánica estadística. Los atascos de hojaldre se “funden” en el punto crítico de transición del flujo laminar al turbulento, dando paso al comportamiento estadístico especial de la transición de percolación dirigida.
Goldenfield comentó: “Este trabajo no sólo cierra un capítulo sobre la transferencia turbulenta laminar en tuberías, sino que también muestra cómo los conocimientos de diferentes disciplinas científicas pueden iluminar un problema inesperadamente difícil”.
Esta investigación fue financiada parcialmente por la Fundación Simons (662985 y 662960) y el Ministerio de Ciencia y Tecnología de Taiwán (ayuda MOST 109-2112-M-001-017-MY3 y MOST 111-2112-M-001-027-MY3). fue dado).
Lista completa de autores: Nigel Goldenfeld (UC San Diego), Björnhof y Vasudevan Mukand (ambos del Instituto Austriaco de Ciencia y Tecnología), Hong Yan Shih (Instituto de Física, Academia Sínica (Taiwán)), Gote Linga ((Centro Norte)) , Universidad de Oslo), Joachim Matheson (Instituto Niels Bohr, Universidad de Copenhague) y Gregory Lemoult (Universidad de Le Havre-Normandie).
Definiciones
Flujo laminar: Un tipo de flujo de fluido en el que el fluido se mueve en capas suaves y organizadas con poca o ninguna mezcla entre ellas.
Golpe directo: Un proceso en el que se produce convección o flujo en una dirección específica, utilizado a menudo para modelar la difusión de sustancias a través de un medio.
Transición de fase de no equilibrio: Un cambio de estado de un sistema que ocurre cuando no está en equilibrio térmico, a menudo impulsado por fuerzas externas o entrada de energía. Estos cambios ocurren en sistemas que experimentan cambios continuos, como temperaturas, presiones o caudales variables.
Bocanadas: Regiones de turbulencia que pueden formarse y moverse dentro de un flujo, generalmente en una tubería o canal. Ocurren en la fase de transición entre flujo laminar y totalmente turbulento.
