Bobler følger med strømmen:Simulerer opførsel af væsker, der bevæger sig gennem rør

Forskere ved Institut for Industrividenskab, Universitetet i Tokyo, brugt en sofistikeret fysisk model til at simulere adfærden af ​​væsker, der bevæger sig gennem rør. Ved at inkludere muligheden for forskydningsinduceret bobledannelse, de finder det, i modsætning til mange tidligere værkers antagelser, væsker kan opleve betydelig glidning, når de er i kontakt med faste grænser. Denne forskning kan hjælpe med at reducere energitab ved pumpning af væsker, hvilket er en væsentlig bekymring i mange industrielle applikationer, såsom gas- og olieleverandører.

Væskedynamik er et af fysikkens mest udfordrende områder. Selv med kraftfulde computere og brugen af ​​forenklede antagelser, nøjagtige simuleringer af væskeflow kan være notorisk vanskelige at opnå. Forskere har ofte brug for at forudsige væskers adfærd i virkelige applikationer, såsom olie, der strømmer gennem en rørledning. For at gøre problemet lettere, det har været almindelig praksis at antage, at ved grænsefladen mellem væske- og faststofgrænsen - i dette tilfælde, rørvæggen - væsken flyder uden at glide. Imidlertid, beviserne til støtte for denne genvej har manglet. Nyere forskning har vist, at glidningen kan forekomme under visse omstændigheder, men den fysiske mekanisme er forblevet mystisk.

Nu, at forstå årsagen til flowglidning mere grundigt, forskere ved University of Tokyo skabte en avanceret matematisk model, der inkluderer muligheden for, at opløst gas bliver til bobler på rørets indre overflade.

"Den skridsikre grænsetilstand for væskestrøm er en af ​​de mest fundamentale antagelser inden for væskedynamik, " forklarer førsteforfatter Yuji Kurotani. "Men, der er intet strengt fysisk grundlag for denne tilstand, som ignorerer virkningerne af gasbobler."

At gøre dette, forskerne kombinerede Navier-Stokes-ligningerne, som er de grundlæggende love, der styrer væskestrømmen, med Ginzburg-Landau teori, som beskriver faseovergange såsom skiftet fra en væske til en gas. Simuleringerne afslørede, at flowglidning kan være forårsaget af små mikrobobler, der dannes på rørvæggen. boblerne, som skabes af forskydningskræfterne i væsken, undslipper ofte opdagelse i det virkelige liv, fordi de forbliver meget små.

"Vi fandt ud af, at densitetsændringerne, der ledsager viskositetsvariation, kan destabilisere systemet mod bobledannelse. Forskydningsinduceret gasfasedannelse giver en naturlig fysisk forklaring på flowglidning, " siger seniorforfatter Hajime Tanaka.

siger Kurotani, "Resultaterne af vores projekt kan hjælpe med at designe nye rør, der transporterer viskøse væsker, som brændstof og smøremidler, med meget mindre energitab."

Værket er udgivet i Videnskabens fremskridt som "En ny fysisk mekanisme til glidning af væskestrøm på en fast overflade."