Glatte supervæsker skubber dyserne til bristepunktet

En unik type helium, der kan flyde uden at blive påvirket af friktion, har hjulpet et KAUST -team med bedre at forstå transformationen af ​​væsker, der hurtigt bevæger sig til små dråber.

Daglige begivenheder, såsom at gå i bad eller tænde for køkkenhanen, involvere et spændende fysisk fænomen kendt som jet breakup. Når en væske kommer ud af en dyse og støder på noget, kan den ikke umiddelbart blandes ind i en gas, for eksempel - det danner en cylinder. Hurtigt, små overfladeforstyrrelser og forskellige kræfter får væskerøret til at bryde fra hinanden i dråber. Hele cylinderen klemmer enten af ​​til dråber en ad gangen ved spidsen, antager en bølget eller proptrækker-lignende struktur, eller forstøver til en fin spray.

Siden slutningen af ​​1800-tallet, forskere har forsøgt at forstå og forudsige adfærden af ​​jet-opbrud ved hjælp af klassiske teorier om viskositet, aerodynamik og overfladespænding. Imidlertid, mange tidligere undersøgelser præsenterer modstridende beviser for, hvor man skal trække grænsen mellem forskellige opbrudstilstande - et problem, der kan påvirke producenter, der ønsker at optimere sprayteknologier.

"Ingeniører er interesserede i at vide størrelsen og retningen af ​​de dannede dråber, og hvor langt fra dysen strålen forbliver intakt, " bemærker Nathan Speirs, en forsker i Sigurdur Thoroddsens laboratorium på KAUST. "Der er så stor variation i måden, væskestråler bryder op på."

For at opdatere dette felt til det 21. århundrede, Thoroddsen-gruppen samarbejdede med forskere ved University of California, Irvine, at bygge en enhed, der er i stand til at nå temperaturer nær det absolutte nulpunkt med vinduer til visning med højhastighedskameraer. På disse kølige dybder, flydende helium kan påtage sig en række forskellige adfærdsmønstre, herunder som en friktionsfri supervæske.

Den eksperimentelle opsætning er vanskelig at arbejde med, fordi "når flydende helium bliver superflydende, fraværet af viskositet gør det muligt for det at flygte fra de mindste ufuldkommenheder, som vi kalder superlækninger, siger Kenneth Langley, endnu et medlem af Thoroddsens hold. "Vi skal være meget forsigtige, når vi lukker cellen, og når den først er lukket, der er ingen måde at justere, hvad der er indeni."

De detaljerede billeder, der blev produceret ved hjælp af den nye lavtemperaturenhed, satte KAUST-teamet i stand til præcist at kvantificere jetopbrydningsregimer og identificere fysiske faktorer, der blev overset af tidligere undersøgelser.

"Vores resultater viser, at gas- og væskestrømmene er lige vigtige i grænsefladeområdet, en idé forsømt af de fleste andre undersøgelser, " siger Speirs. "De uregelmæssige former på de dannede dråber er også ret interessante, og vi håber at analysere dem mere detaljeret, " tilføjer Langley.