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Un tipo nuevo de turbulencias en fluidos poliméricos

Los aditivos poliméricos cambian radicalmente la dinámica de los flujos de fluidos. Mediante simulaciones, un grupo de científicos financiado por la Unión Europea y sus colaboradores hallaron que la interacción de la inercia y la elasticidad en flujos poliméricos puede dar lugar a un nuevo estado de turbulencia.
Un tipo nuevo de turbulencias en fluidos poliméricos
Los aditivos poliméricos pueden reducir de forma radical la resistencia hidrodinámica en flujos turbulentos. Por ejemplo, en grandes tuberías de petróleo, ayuda a lograr un flujo más homogéneo y, por consiguiente, una tasa de flujo mayor. No obstante, existe un límite en la posible reducción de la resistencia, llamada asíntota de reducción máxima de la resistencia hidrodinámica. El efecto opuesto se observa en los microcanales, donde la viscoelasticidad que introducen los polímeros genera inestabilidades y el movimiento caótico de flujos que, de otro modo, serían regulares y homogéneos.

El proyecto VISCELTURBFLOW (Computational study of macro- and microscopic turbulence controlled by polymer additives), financiado por la Unión Europea, se puso en marcha con el fin de determinar cómo se inicia la reducción de la resistencia hidrodinámica y su límite máximo. Mediante técnicas numéricas, los científicos mostraron que hay un nuevo tipo de turbulencias implicado.

El equipo de VISCELTURBFLOW y sus colaboradores demostraron que, a pequeña escala, se produce una transferencia de energía elástica del polímero hacia la energía cinética de las turbulencias. Esto alimenta las turbulencias e impide que el flujo sea totalmente laminar, lo cual podría explicar el límite máximo de la reducción de la resistencia hidrodinámica.

Los científicos estudiaron con detalle las interacciones entre las inestabilidades inerciales y elásticas con distintos números de Reynolds. Este número indica la contribución relativa de las fuerzas inerciales y viscosas. Las simulaciones mostraron que los polímeros añadidos provocan un retardo en la transición de flujo laminar y homogéneo hacia flujo turbulento caótico. Sin embargo, si se introduce inicialmente una perturbación lo suficientemente grande en el flujo, la elasticidad elevada promueve la transición y da lugar a un flujo caótico autosostenido con números de Reynolds subcríticos.

Este nuevo estado se denominó turbulencia elastoinercial (EIT). El equipo de VISCELTURBFLOW mostró que la EIT también se produce en dos dimensiones y sugirió que la EIT representa el estado de reducción máxima de la resistencia hidrodinámica del flujo en el límite de elasticidad muy elevada.

Los resultados de VICELTURBFLOW se presentaron en varios congresos. Las propiedades del nuevo tipo de turbulencia se han descrito en una serie de artículos publicados en revistas de alto impacto sometidas a revisión.

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Palabras clave

Polímeros, viscoelasticidad, turbulencia elastoinercial (EIT), transición, VISCELTURBFLOW, número de Weissenberg, número de Reynolds
Número de registro: 190969 / Última actualización el: 2017-01-31
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