En muchos sistemas de plomería y tuberías en general, hay uniones y conexiones para mover líquidos como el agua en diferentes direcciones, pero ¿alguna vez ha pensado en lo que le sucede al agua en esas intersecciones de fluidos? Un equipo de investigadores del Instituto de Okinawa deLa Universidad de Graduados en Ciencia y Tecnología OIST y colaboradores encontraron un fenómeno de vórtice en espiral inesperado que ocurre en las intersecciones de dispositivos en forma de cruz cuando el líquido fluye a través de los canales de una manera particular. El equipo ha publicado sus resultados en Revisión física E .
El equipo movió agua a través de un dispositivo en forma de cruz, o geometría, bombeando agua simultáneamente en dos canales uno frente al otro, de modo que se encontraran en una intersección. Cuando las dos corrientes de agua se encuentran en la intersección, son comprimidas por elfuerza del flujo y luego se extiende al ser extraído a través de las dos vías restantes, creando un vórtice en espiral en el agua.
"En la superficie, es una geometría realmente simple", dijo la profesora Amy Shen de la Unidad de Micro / Bio / Nanofluidos de OIST y autora. "Pero nadie ha capturado o visualizado estructuras de flujo tan llamativas como esta".
Los investigadores pudieron visualizar esto insertando colorante fluorescente en el agua que ingresó por una de las dos vías. Además, el equipo pudo realizar simulaciones numéricas que pueden predecir el fenómeno del vórtice en espiral de manera computacional. Cuando el flujo comienza, la espiralpueden formarse girando en sentido horario o antihorario con la misma probabilidad.A través de las combinaciones de los experimentos y con las simulaciones numéricas, los científicos pudieron clasificar este comportamiento como un tipo inusual de inestabilidad de flujo.
"Estamos empezando a pensar que este tipo de inestabilidad existiría en cualquier tipo de geometría de intersección", dijo el Dr. Simon Haward, primer autor y líder de grupo de la unidad de Micro / Bio / Nanofluidics de OIST.
El equipo descubrió que las espirales aparecen a medida que aumenta el caudal y desaparecen de nuevo si se reduce el caudal. Sin embargo, los caudales correspondientes a la aparición y desaparición no son necesariamente los mismos. Al variar la relación de aspecto del canal, ola profundidad del canal dividida por su ancho, vieron diferencias en cómo se formaba y colapsaba la espiral. Específicamente, con una relación de aspecto más pequeña, la espiral se formaría y colapsaría nuevamente con la misma velocidad de flujo. Pero, en dispositivos con relaciones de aspecto grandes,la espiral colapsó a una velocidad de flujo más baja que aquella en la que se había formado, exhibiendo lo que se llama histéresis. Curiosamente, el equipo identificó un valor muy específico de la relación de aspecto, llamado punto tricrítico, y el crecimiento y colapso del vórtice espiralocurre muy repentinamente en un rango estrecho de caudal. Toda esta información podría ser útil para comprender y optimizar los procesos básicos de transporte de fluidos, predecir las condiciones de inestabilidad de los fluidos ymejorando la mezcla de fluidos.
"En cualquier canal podemos predecir cuándo se formará la espiral, qué tan grande crecerá y la calidad de mezcla resultante", dijo Haward.
Esto también podría tener implicaciones en otras investigaciones porque "en los dispositivos de microfluidos puede ser difícil comenzar el proceso de mezcla", dijo Shen. "Nuestros resultados sugieren que si profundizamos las dimensiones del canal, es más fácil inducir la mezcla".
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Materiales proporcionado por Universidad de Posgrado del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa OIST . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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