XXXIV Carnaval Física: Los chorros líquidos anulares y sus inestabilidades

Al abrir el paso del agua en un grifo antiguo, sin rejilla, habrás observado que a veces se forma una burbuja, se trata de un chorro líquido anular. Estos chorros pueden utilizarse como reactores químicos para reacciones en las que se producen productos tóxicos, si el líquido es capaz de absorber o adsorber dichos productos. Además, el control del caudal del líquido permite hacer oscilar el chorro líquido anular lo que introduce un forzamiento en la presión y temperatura de la reacción química que permite, en ciertos casos, incrementar la velocidad de dicha reacción hasta en un factor de cien (aprovechando una bifurcación de Hopf supercrítica asociada a la transferencia de masa en este sistema para flujo isotérmico).

El gran inconveniente de los chorros líquidos anulares como reactores químicos heterogéneos es su inestabilidad ante forzamientos externos que puede hacer que se rompa la burbuja. Para controlarla se puede inyectar aire tanto en el interior como por la superficie exterior del chorro, el llamado control por co-flujo. Gracias a este procedimiento se pueden obtener chorros tan estables como el mostrado en el vídeo que abre esta entrada. Mi grupo de investigación trabaja en estos temas utilizando técnicas de dinámica de fluidos computacional y métodos asintóticos o de perturbaciones. El vídeo está extraído de la información suplementaria del artículo de Daniel Duke, Damon Honnery, Julio Soria, “Flow Visualisation of Annular Liquid Sheet Instability and Atomisation,” arXiv:1208.1796, Submitted on 9 Aug 2012. La descripción detallada del dispositivo experimental utilizado aparece en Daniel Duke, Damon Honnery and Julio Soria, “A cross-correlation velocimetry technique for breakup of an annular liquid sheet,” Experiments in Fluids 49: 435-445, 2010. Dos buenas referencias para empezar sobre el trabajo de mi grupo de investigación son Juan I. Ramos, “Annular liquid jets: Formulation and steady-state analysis,” Zeitschrift fur Angewandte Mathematik und Mechanik (ZAMM) 72: 565-589, 1992, y J. I. Ramos, “Hopf bifurcation in annular liquid jets with mass transfer,” International Journal for Numerical Methods in Fluids 20: 1293–1314, 1995.

Muchas veces un problema también es una virtud. La inestabilidad de Kelvin-Helmholtz ante perturbaciones externas de los chorros líquidos anulares permite desarrollar sprays y vaporizadores. Como muestra este vídeo, la dinámica de esta inestabilidad es muy complicada. La hoja líquida se rompe formando gotas y estructuras difíciles de caracterizar. Las técnicas matemáticas y numéricas que utilizamos en mi grupo de investigación no son capaces de estudiar en detalle un fenómeno tan complejo, por lo que en la actualidad nos hemos concentrado en el estudio de las técnicas de estirado para la fabricación de fibras, con énfasis en las de polímeros. Más información sobre el estudio experimental de las inestabilidades en chorros líquidos anulares en D. Duke, D. Honnery and J. Soria, “Experimental investigation of nonlinear instabilities in annular liquid sheets,” Journal of Fluid Mechanics 691: 594-604, 2012. La verdad es que, en mi opinión, este tipo de vídeos tienen algo de hipnóticos. Por ello os dejo, sin más comentarios, todos los vídeos de la información suplementaria del artículo de Daniel Duke, Damon Honnery, Julio Soria, “Flow Visualisation of Annular Liquid Sheet Instability and Atomisation,” arXiv:1208.1796, Submitted on 9 Aug 2012.

Ya sabéis que he dicho en varias ocasiones que no me gusta hablar en mi blog de los temas en los que trabajo o en los que trabaja mi grupo de investigación. Sirva esta excepción como mi segunda entrada en la XXXIV Edición del Carnaval de la Física, alojada en esta ocasión en el blog colaborativo Hablando de Ciencia.  Prometo que habrá al menos una tercera contribución sobre torres de estirado para la formación de perdigones.

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3 pensamientos en “XXXIV Carnaval Física: Los chorros líquidos anulares y sus inestabilidades

  1. Perdona, Francis. Estudio Ingeniería en la ETSI de Sevilla, y aún no he dado Fluidos (me toca este año xD), ¿sabrías de algún libro para entender este tipo de cosas?

    • Difícil pregunta, Daniel. A los físicos nos gustan los libros de fluidos con una fuerte componente en teoría, algo que disgusta a los ingenieros. Mi libro favorito es la “Mecánica de Fluidos” de Landau y Lifshitz, el volumen 6 de su Curso de Física Teórica (su derivación del tensor de esfuerzos en un solo párrafo, cuando otros libros dedican un capítulo entero, es magistral, pero también extremadamente dura para un principiante).

      Yo te recomendaría consultar con tu profesor de este año, para que te recomiende un libro a tiro fijo (depende mucho del gusto de tu profesor por la matemática, por la termodinámica y por la hidráulica); según sean sus gustos así será el libro que te recomiende. En la Univ. Sevilla hay expertos en física de fluidos que seguro que tienen sus libros preferidos. Hay tantos libros que lo mejor es que te guíe quien luego te va a examinar.

      Por cierto, si te gusta un libro lleno de imágenes y simulaciones de fluidos, te recomiendo el libro de Pijush K. Kundu et al. “Fluid Mechanics,” que incluye un DVD muy completo y muy bien preparado. Si te gustan los libros con muchos problemas resueltos te recomiendo el libro de Joseph H. Spurk et al. “Fluid Mechanics,” que son dos volúmenes, el segundo es “Problems and Solutions.”

  2. Muchísimas gracias, Francis. Tan amable como siempre.

    Una cosa más, para molestarte a tiempo completo. En tu entrada hablas de que las inestabilidades del flujo (No sé si se le puede llamar laminar) se pueden utilizar para el estirado de fibras (con énfasis en polímeros). Por casualidad estuve de prácticas en una spin-off del Grupo de Elasticidad y Resistencia de Materiales de mi Escuela, y trabajábamos (o trabajaban más bien dicho) mucho con materiales compuestos y me interesé mucho por el tema. Sólo que hay pocos papers (que yo conozca) en español. Y mi inglés es limitado, aunque lo intento. Bueno, perdón, te estoy contando mi vida. La cosa es, ¿en qué consiste ese método? ¿Es como las antiguas torres de perdigones? ¿Se pueden modelar fibras homogéneas con flujos turbulentos o inestables como parece que es ese?

    Si pregunto alguna tontería, lo siento xD

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