El agua que sale de un grifo común cuenta una historia compleja de su viaje a través de una tubería. A altas velocidades, el chorro de agua del grifo es turbulento: caótico, desordenado, como el choque de las olas del océano.
En comparación con los flujos laminares ordenados, como el flujo constante del grifo a bajas velocidades, los científicos saben poco acerca de las turbulencias. Aún menos se sabe acerca de cómo los flujos laminares se vuelven turbulentos. Una mezcla de flujos ordenados y desordenados, flujos de transición ocurren cuando los fluidos se mueven en el intermediovelocidades
Ahora, el Dr. Rory Cerbus, el Dr. Chien-chia Liu, el Dr. Gustavo Gioia y el Dr. Pinaki Chakraborty, investigadores de la Unidad de Mecánica de Fluidos y la Unidad de Física Continua en la Universidad de Graduados del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa OIST, se han basado en una teoría conceptual de turbulencia de décadas de antigüedad para desarrollar un nuevo enfoque para estudiar los flujos de transición.Los hallazgos de los científicos, publicados en Science Advances, pueden ayudar a proporcionar una comprensión conceptual más integral de los flujos de transición y turbulentos, conaplicaciones en ingeniería.
"La turbulencia a menudo se promociona como el último problema no resuelto en la física clásica, tiene una cierta mística al respecto", dijo Cerbus. "Y, sin embargo, en condiciones idealizadas, tenemos una teoría conceptual que ayuda a explicar los flujos turbulentos. En nuestroinvestigación, nos esforzamos por comprender si esta teoría conceptual también podría arrojar luz sobre los flujos de transición ".
Encontrar el orden en el desorden
Los científicos han estado cautivados durante mucho tiempo por los flujos turbulentos. En el siglo XV, Leonardo da Vinci ilustró los flujos turbulentos como colecciones de remolinos remolinos, o corrientes circulares, de diferentes tamaños.
Siglos más tarde, en 1941, el matemático Andrey Kolmogorov desarrolló una teoría conceptual que revelaba el orden subyacente a la energía de remolinos aparentemente desordenados.
Como se muestra en el boceto de DaVinci, una corriente que se sumerge en un charco de agua forma inicialmente un remolino grande y giratorio, que rápidamente se vuelve inestable y se divide en remolinos progresivamente más pequeños. La energía se transfiere de los remolinos grandes a los remolinos cada vez más pequeños, hasta queLos remolinos más pequeños disipan la energía a través de la viscosidad del agua.
Capturando estas imágenes en el lenguaje de las matemáticas, la teoría de Kolmogorov predice el espectro de energía, una función que describe cómo la energía cinética, la energía del movimiento, se distribuye en remolinos de diferentes tamaños.
Es importante destacar que la teoría dice que la energía de los pequeños remolinos es universal, lo que significa que aunque los flujos turbulentos pueden verse diferentes, los remolinos más pequeños en todos los flujos turbulentos tienen el mismo espectro de energía.
"Que tales conceptos simples pueden dilucidar elegantemente un problema aparentemente insoluble, lo encuentro realmente extraordinario", dijo Chakraborty.
Pero hay una trampa. Se cree ampliamente que la teoría de Kolmogorov se aplica solo a un pequeño conjunto de flujos idealizados, y no a los flujos de la vida cotidiana, incluidos los flujos de transición.
Para estudiar estos flujos de transición, Cerbus y sus colaboradores realizaron experimentos sobre el agua que fluye a través de una tubería cilíndrica de vidrio de 20 metros de largo y 2,5 centímetros de diámetro. Los investigadores agregaron partículas pequeñas y huecas con aproximadamente la misma densidad que el agua, permitiendoellos para visualizar el flujo. Usaron una técnica llamada velocimetría láser doppler para medir las velocidades de los remolinos en los flujos de tubería de transición. Con estas velocidades medidas, calcularon el espectro de energía.
Sorprendentemente, los investigadores encontraron que, a pesar de parecer distintos de los flujos turbulentos, el espectro de energía correspondiente a los pequeños remolinos en los flujos de transición se ajustaba al espectro de energía universal de la teoría de Kolmogorov.
Más allá de proporcionar una nueva comprensión conceptual de los flujos de transición, este hallazgo tiene aplicaciones en ingeniería. Durante las últimas dos décadas, la investigación de Gioia y Chakraborty ha demostrado que los espectros de energía pueden ayudar a predecir la fricción entre el flujo y la tubería, una preocupación importante paraingenieros. Cuanto más fricción hay en una tubería, más difícil es bombear y transportar fluidos como el aceite.
"Nuestro estudio combina ideas matemáticas esotéricas con factores que preocupan a los ingenieros", dijo Chakraborty. "Y hemos descubierto que las teorías de Kolmogorov tienen una aplicabilidad más amplia de lo que cualquiera pensaba. Esta es una nueva y emocionante visión de la turbulencia, así como de latransición a la turbulencia "
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Materiales proporcionado por Universidad de Posgrado del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa OIST . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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