Este diagrama de fases resume os resultados de um estudo da Unidade Micro / Bio / Nanofluidos sobre o fluxo de fluidos viscoelásticos sobre superfícies onduladas. Os padrões de fluxo dependem da elasticidade do fluido (encapsulado pela Sigma, no eixo vertical) e a profundidade do canal em relação ao comprimento de onda da superfície (que é alfa, no eixo horizontal). O canto inferior direito do diagrama é a região específica onde a elasticidade e a profundidade do canal estão em um "ponto ideal, ”Para que se combinem para resultar na amplificação da vorticidade na“ camada crítica ”. Crédito:Instituto de Ciência e Tecnologia de Okinawa
Os fluidos viscoelásticos estão por toda parte, seja correndo em suas veias ou através de 1, 300 quilômetros de dutos no Oleoduto Trans-Alaska. Ao contrário dos fluidos newtonianos, como óleo ou água, os fluidos viscoelásticos se estendem como um filamento pegajoso de saliva. Cadeias de moléculas dentro dos fluidos concedem a eles esse superpoder, e os cientistas ainda estão trabalhando para entender como isso afeta seu comportamento. Pesquisadores da Universidade de Pós-Graduação do Instituto de Ciência e Tecnologia de Okinawa (OIST) nos trouxeram um passo mais perto, demonstrando como fluidos viscoelásticos fluem sobre superfícies onduladas, e seus resultados são inesperados.
"Para mim não foi intuitivo, e tenho trabalhado com esses fluidos por quase 20 anos, "disse Simon Haward, líder do grupo na Unidade Micro / Bio / Nanofluídica e primeiro autor do estudo. O papel, publicado em Física dos Fluidos em 5 de novembro, 2018, é o terceiro de uma série de três estudos que colocam à prova novas teorias de fluidos viscoelásticos.
Um ato de desaparecimento fenomenal
Quando a água flui por um tubo liso, seu movimento é totalmente uniforme. Mas quando a água entra em contato com uma superfície ondulada, quebra como a maré na praia. A água reage a cada pico e vale da onda perturbadora, lançados em redemoinhos em espiral conhecidos como vórtices. O movimento giratório, conhecido como vorticidade, é mais pronunciado perto da parede ondulada e se dissipa a uma distância calculável.
Os cientistas testemunharam esse cenário se desdobrar inúmeras vezes na água e em outros fluidos newtonianos. Mas antes de agora, experimentos análogos nunca foram realizados em fluidos viscoelásticos, que se prevê que se comportem de maneira muito diferente. Os pesquisadores do OIST se propuseram a preencher essa lacuna na literatura.
Trabalhos teóricos recentes sugerem que as ondas enviam fluidos viscoelásticos girando muito como fluidos newtonianos, mas com uma diferença fundamental. Enquanto o movimento espiralado induzido nos fluidos newtonianos decai com a distância, vórtices em fluidos viscoelásticos podem realmente ser amplificados a uma distância específica. Esta região de ação amplificada foi apelidada de "camada crítica" em teoria, mas não foi observado experimentalmente.
"A localização desta camada crítica depende da elasticidade do fluido, "disse Haward. Quanto mais cadeias de moléculas, ou polímeros, um fluido contém, ele disse, mais elástico ele se torna. Quanto mais elástico for o fluido, quanto mais longe a camada crítica se move da parede ondulada. Chega um ponto em que o fluido é tão elástico, e a camada crítica tão distante, que os vórtices em espiral perto da parede não são mais afetados por ela.
"Normalmente, pensamos que se um fluido é mais viscoelástico, você verá efeitos mais estranhos, "Disse Haward." Mas, neste caso, quando o fluido é altamente elástico, o efeito observável desaparece. "
Os pesquisadores da Unidade de Micro / Bio / Nanofluidos capturam instantâneos do fluxo de fluido semeando-o com partículas traçadoras, conforme ilustrado aqui. Cada imagem é capturada em um momento diferente, então as partículas mudaram de posição de um quadro para o outro. Crédito:Instituto de Ciência e Tecnologia de Okinawa
Preenchendo lacunas críticas de conhecimento
Em pesquisas anteriores, a Unidade Micro / Bio / Nanofluídica projetou experimentos e equipamentos especializados para capturar essas camadas críticas em ação. Seus esforços resultaram na primeira evidência experimental do fenômeno. Agora, os pesquisadores construíram um gráfico detalhado que descreve como a camada crítica muda quando o canal é alargado, o comprimento de onda é alongado ou a taxa de fluxo do fluido é aumentada.
"Foi surpreendente porque a teoria parecia contra-intuitiva, mas nossos resultados experimentais caíram exatamente no mesmo diagrama de fase que a teoria previa, "disse Haward." Basicamente, nossos experimentos confirmaram totalmente a teoria. "
A pesquisa abrangente estabelece um forte ponto de partida para estudos futuros de fluidos viscoelásticos. As propriedades fundamentais desses fluidos elásticos têm implicações diretas na indústria do petróleo, medicina e biotecnologia, e ajudar a moldar o mundo ao nosso redor. Com este estudo, os cientistas podem agora começar a fatorar a camada crítica em seus cálculos, o que pode ajudar a melhorar as aplicações ou encontrar novos caminhos para fluidos viscoelásticos em suas pesquisas.
