Nuevos avances en el estudio de la hidrodinámica de flujos

Un frente fluido que invade un medio desordenado presenta una dinámica intermitente, según un nuevo estudio publicado en la revista Physical Review Letters por los investigadores Jordi Ortín y Xavier Clotet del departamento de Estructura y Constituyentes de la Materia de la Universidad de Barcelona, junto a Stéphane Santucci del Laboratorio de Física de la Escuela Normal Superior de Lion (Francia), adscrito al Centro Nacional de Investigación Científica (CNRS).

El estudio de las propiedades dinámicas de frentes fluidos en medios desordenados presenta un amplio escenario de aplicaciones en ámbitos como la recuperación secundaria de hidrocarburos, la irrigación y la contaminación de suelos, la eliminación de contaminantes por filtración y otros problemas de ingeniería.

Estudiar la naturaleza de la intermitencia es capital para la investigación de la turbulencia en los fluidos

La dinámica intermitente es una propiedad característica de los flujos turbulentos. También se ha observado recientemente en simulaciones numéricas de flujos en medios porosos. El nuevo trabajo es la primera evidencia experimental de la existencia de la dinámica intermitente en frentes fluidos en contacto con medios heterogéneos.

Tal como explica Ortín, «la intermitencia es un concepto clave en estudios sobre dinámica de fluidos, porque revela la presencia de correlaciones temporales anómalas y complejas en intervalos cortos de tiempo». En la actualidad, llegar a comprender teóricamente la dinámica que afecta a los flujos turbulentos se ha convertido en unos de los retos más desafiantes en la física estadística.

Estudiar cuál es la naturaleza de la intermitencia es capital para la investigación del fenómeno de la turbulencia. Trabajos recientes sugieren que la intermitencia se relaciona con las propiedades de las fluctuaciones de energía en los sistemas que presentan una cascada de transferencia de alguna magnitud de las escalas espaciales grandes a las pequeñas (o viceversa). Este sería el caso, por ejemplo, de los cambios en los niveles de energía en el fenómeno de la turbulencia hidrodinámica.

Modelo de fractura abierta y estadística

En el nuevo estudio, el equipo de la UB ha empleado un modelo de laboratorio llamado ‘de fractura abierta’ que permite controlar cuidadosamente las propiedades estadísticas del desorden en el medio. Además, también se ha explorado un elevado número de parámetros; puesto que se han usado cinco aceites de silicona de diferente viscosidad y un amplio rango de velocidades de desplazamiento. Esta metodología experimental ha permitido disponer de muchos datos estadísticos, que son imprescindibles para el análisis de la dinámica de la intermitencia.

En concreto, el equipo investigador ha estudiado el comportamiento de una serie de aceites de silicona de diferentes viscosidades. Se trata de fluidos ordinarios, muy estables y que no se contaminan fácilmente, dotados de un amplio rango de viscosidades sin variar apreciablemente su tensión superficial con el aire. Tal como explican los autores, un cuidadoso análisis multiescala de los datos en el espacio y el tiempo ha permitido revelar en los sistemas de estudio todas las características distintivas de la dinámica intermitente.

Esta evidencia experimental descrita por primera vez  contribuirá a estimular nuevos estudios teóricos y experimentales sobre el origen de la dinámica intermitente en sistemas extensos fuera del equilibrio. En particular, el nuevo trabajo sugiere que algunas características de la dinámica intermitente observadas indican la existencia de lo que se llama cascada inversa, causada por la condición local de incompresibilidad del fluido invasor.

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