Nous avenços en l’estudi de la hidrodinàmica de fluxos en medis desordenats / UB
Un front fluid que envaeix un medi desordenat presenta una dinàmica intermitent, segons un nou estudi publicat a Physical Review Letters, la revista més prestigiosa de la Societat Americana de Física (APS). El treball està signat per Jordi Ortín i Xavier Clotet, del Departament d’Estructura i Constituents de la Matèria de la UB, i Stéphane Santucci, del Laboratori de Física de l’Escola Normal Superior de Lió (França), adscrit al Centre Nacional de Recerca Científica (CNRS).
La dinàmica intermitent és una propietat característica dels fluxos turbulents. També ha estat observada recentment en simulacions numèriques de fluxos en medis porosos. El nou estudi publicat a Physical Review Letters és la primera evidència experimental de l’existència de la dinàmica intermitent en fronts fluids en contacte amb medis heterogenis.
Tal com explica el catedràtic Jordi Ortín, cap del Grup de Recerca Consolidat de Física No Lineal de la UB i expert en estudis de dinàmica de sistemes fora de l’equilibri, «la intermitència és un concepte clau en estudis sobre dinàmica de fluids perquè revela la presència de correlacions temporals anòmales i complexes en intervals curts de temps». En l’actualitat, arribar a comprendre teòricament la dinàmica que afecta els fluxos turbulents ha esdevingut un dels reptes més desafiadors en la física estadística.
Turbulència: moviments complexos i desordenats en un fluid
Estudiar quina és la naturalesa de la intermitència és cabdal en la recerca del fenomen de la turbulència. Treballs recents suggereixen que la intermitència es relaciona amb les propietats de les fluctuacions d’energia dels sistemes que presenten una cascada de transferència d’alguna magnitud de les escales espacials grans a les petites (o viceversa). Aquest seria el cas, per exemple, dels canvis en els nivells d’energia en el fenomen de la turbulència hidrodinàmica.
En el nou estudi, l’equip de la UB ha emprat un model de laboratori de fractura oberta que permet controlar acuradament les propietats estadístiques del desordre en el medi. A més, també s’ha explorat un nombre elevat de paràmetres, ja que s’han fet servir cinc olis de silicona de diferent viscositat i un ampli rang de velocitats de desplaçament. Aquesta metodologia experimental ha permès disposar de moltes dades estadístiques, que són imprescindibles per analitzar la dinàmica de la intermitència.
En concret, l’equip investigador ha estudiat el comportament d’una sèrie d’olis de silicona de diferents viscositats (de 10 a 350 cP). Es tracta de fluids ordinaris (newtonians), molt estables i que no es contaminen fàcilment, dotats d’un ampli rang de viscositats sense variar de manera apreciable la seva tensió superficial amb l’aire. Tal com expliquen els autors, «una acurada anàlisi multiescala de les dades en l’espai i el temps ha permès revelar en els sistemes d’estudi totes les característiques distintives de la dinàmica intermitent».
Aquesta evidència experimental descrita per primer cop per l’equip investigador contribuirà a estimular nous estudis teòrics i experimentals de l’origen de la dinàmica intermitent en sistemes extensos fora de l’equilibri. En particular, el nou estudi suggereix que algunes característiques de la dinàmica intermitent que s’observen en el sistema d’estudi indiquen l’existència d’una cascada inversa, causada per la condició local d’incompressibilitat del fluid invasor.
Aquesta línia de recerca sobre les propietats dinàmiques de fronts fluids en medis desordenats presenta un ampli escenari d’aplicacions en l’àmbit de la recuperació secundària d’hidrocarburs, la irrigació i la contaminació de sòls, l’eliminació de contaminants per filtratge i altres problemes de gran actualitat en enginyeria.♦
Article original:
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.113.074501
