Вязкоупругие жидкости существуют повсюду, будь то скачки через ваши жилы или через 1300 километров трубы в Трансаляскинском трубопроводе. В отличие от ньютоновских жидкостей, таких как масло или вода, вязкоупругие жидкости растягиваются, как липкая прядь слюны. Цепи молекул внутри жидкостей предоставляют им эту сверхдержаву, и ученые все еще пытаются понять, как это влияет на их поведение. Исследователи из Университета науки и техники Окинавы (OIST) приблизили нас на один шаг, продемонстрировав, как вязкоупругие жидкости протекают по волнистым поверхностям, и их результаты являются неожиданными.

На фото фазовая диаграмма суммирует результаты исследования группы Micro / Bio / Nanofluids на поток вязкоупругих жидкостей по волнистым поверхностям. Модели потока зависят от эластичности жидкости (инкапсулированной Sigma, по вертикальной оси) и глубины канала относительно длины волны поверхности (которая равна альфам по горизонтальной оси). В нижнем правом углу диаграммы находится конкретная область, в которой эластичность и глубина канала находятся в «сладком месте», поэтому они объединяются, чтобы привести к усилению вихря в «критическом слое». Фото: Институт науки Окинавы и Технология

«Для меня это было неинтуитивно, и я работал с этими жидкостями почти 20 лет», — сказал Симон Ховард, лидер группы в подразделении Micro / Bio / Nanofluidics и первый автор исследования. Статья, опубликованная в « Физике жидкостей» от 5 ноября 2018 года, является третьей в серии из трех исследований, вносящих новые тесты вязкоупругих жидкостей в испытание.

Когда вода течет через трубку

Когда вода течет через гладкую трубку, ее движение равномерно. Но когда вода контактирует с волнистой поверхностью, она ломается, как прилив над морским побережьем. Вода реагирует на каждый пик и корыту разрушающей волны, выброшенной в спиральные завихрения, известные как вихри. Вращающееся движение, известное как завихренность, наиболее ярко выражено вблизи волнистой стенки и рассеивается на расчетном расстоянии.

Ученые засвидетельствовали, что этот сценарий разворачивается бесчисленное количество раз в воде и других ньютоновских жидкостях. Но до сих пор аналогичные эксперименты никогда не проводились в вязкоупругих жидкостях, которые, как прогнозируется, ведут себя по-разному. Исследователи OIST решили заполнить этот пробел в литературе.

 

исследователи в Micro / Bio / Nanofluids Unit фиксируют снимки текучей жидкости, высевая ее с помощью частиц-индикаторов, как показано здесь. Каждое изображение захватывается в другой момент времени, поэтому частицы перемещаются из одного кадра в другое. Фото: Институт науки и техники Окинавы

Недавняя теоретическая работа предполагает, что волны посылают вязкоупругие жидкости, вращающиеся подобно ньютоновским жидкостям, но с одним ключевым отличием. В то время как завихренное движение, индуцированное в ньютоновских жидкостях, распадается с расстоянием, вихри в вязкоупругих жидкостях могут фактически усиливаться на определенном расстоянии. Эта область усиленного действия была названа «критическим слоем» в теории, но экспериментально не наблюдалась.

«Расположение этого критического слоя зависит от эластичности жидкости, — сказал Хавард. Более молекулярные цепочки или полимеры содержат жидкость, по его словам, более эластичную. Чем эластичнее жидкость, тем дальше критический слой перемещается из волнистой стенки. Наступает момент, когда жидкость настолько эластична, и критический слой настолько удален, что спиральные вихри у стены больше не затронуты им.

«Обычно мы думаем, что если жидкость будет более вязкоупругой, вы увидите более странные эффекты», — сказал Хавард. «Но в этом случае, когда жидкость очень эластична, наблюдаемый эффект исчезает».

частицы перемещаются из одного кадра в другое

 

Исследователи из группы Micro / Bio / Nanofluids захватывают снимки текучей жидкости, высевая ее с помощью частиц-индикаторов, как показано здесь. Каждое изображение захватывается в другой момент времени, поэтому частицы перемещаются из одного кадра в другое. Фото: Институт науки и техники Окинавы

Наполнение критических пробелов в знаниях

В прошлых исследованиях подразделение Micro / Bio / Nanofluidics разработало эксперименты и специализированное оборудование для захвата этих критических слоев в действии. Их усилия привели к первым экспериментальным свидетельствам этого явления. Теперь исследователи построили подробную диаграмму, описывающую, как критический слой смещается, когда канал расширяется, длина волны удлиняется или скорость потока жидкости увеличивается.

«Это было удивительно, потому что теория казалась нелогичной, но наши экспериментальные результаты попадали в ту же фазовую диаграмму, что и предсказанная теория», — сказал Хавард. «В принципе, наши эксперименты полностью подтвердили теорию».

Всестороннее исследование создает прочную отправную точку для будущих исследований вязкоупругих жидкостей. Основные свойства этих эластичных жидкостей имеют прямые последствия для нефтяной промышленности, медицины и биотехнологии и помогают формировать окружающий нас мир. С помощью этого исследования ученые теперь могут начать учитывать критический слой в своих расчетах, что может помочь улучшить применение или найти новые пути для вязкоупругих жидкостей в их исследованиях.

 

По материалам phys.org