Investigadores catalanes avanzan en el estudio de la hidrodinámica de flujos en medios desordenados

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  •  Esta línea de investigación sobre 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 gran actualidad en ingeniería.

Un frente fluido que invade un medio desordenado presenta una dinámica intermitente, según un nuevo estudio publicado en la revista Physical Review Letters, la publicación más prestigiosa de la Sociedad Americana de Física (APS), y firmado por Jordi Ortín y Xavier Clotet, del Departamento de Estructura y Constituyentes de la Materia de la UB, y Stéphane Santucci, del Laboratorio de Física de la Escuela Normal Superior de Lion (Francia), adscrito al Centro Nacional de Investigación Científica (CNRS).

Estudiar cuál es la naturaleza de la intermitencia es capital para la investigación del fenómeno de la turbulencia

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 estudio publicado enPhysical Review Letters es la primera evidencia experimental de la existencia de la dinámica intermitente en frentes fluidos en contacto con medios heterogéneos.

Tal como explica el catedrático Jordi Ortín, jefe del Grupo de Investigación Consolidado de Física No Lineal de la UB y experto en estudios de dinámica de sistemas fuera del equilibrio, «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.

Turbulencia: movimientos complejos y desordenados en un fluido

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.

En el nuevo estudio, el equipo de la UB ha empleado un modelo de laboratorio 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 (de 10 a 350 cP). Se trata de fluidos ordinarios (newtonianos), 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 por el equipo investigador 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 estudio sugiere que algunas características de la dinámica intermitente observadas en el sistema de estudio indican la existencia de una cascada inversa, causada por la condición local de incompresibilidad del fluido invasor. Esta línea de investigación sobre 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 gran actualidad en ingeniería.

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