Transportados en tuberías, los fluidos espesantes como la Maïzena en agua o ciertos concretos, en principio, deberían solidificarse cuando se les somete a presiones elevadas. Sin embargo, esto no es lo que se observa en la práctica.
Investigadores del Instituto Universitario de Sistemas Térmicos Industriales y de Chryso France han descubierto que las tensiones se concentran en un corto tramo del tubo, permitiendo que las otras partes del flujo mantengan su estado fluido. Publicado en la revista
PNAS, este trabajo es de interés para los numerosos usos industriales de los fluidos espesantes.
Conformados por partículas de una decena de micrones en suspensión, los fluidos espesantes fluyen como líquidos viscosos convencionales bajo solicitaciones bajas, pero se solidifican en cuanto son vigorosamente cortados. Este comportamiento se debe a la repulsión entre las partículas, que deslizan bajo baja tensión y rozan bajo alta tensión. Es por esto que uno se hunde en una piscina de agua mezclada con Maïzena si entra suavemente, pero no si corre lo suficientemente rápido.
Estos materiales, como los concretos de alto rendimiento antes del fraguado, la pasta de chocolate o incluso algunos magmas, logran circular por tuberías a pesar de la presión que debería solidificarlos. Ciertamente, el caudal deja de aumentar proporcionalmente a la tensión cuando esta supera el nivel que, en principio, debería solidificarlo todo, pero el flujo persiste, y ello sin fluctuaciones en el caudal.
Investigadores del Instituto Universitario de Sistemas Térmicos Industriales (
IUSTI, CNRS/Universidad de Aix-Marsella) y de la empresa
Chryso France han revelado y explicado el mecanismo de este flujo tan particular: las tensiones se concentran en un corto tramo del tubo, permitiendo que el resto del flujo permanezca fluido. Esta zona de confinamiento, tan corta como el diámetro del tubo, permite el paso del flujo remontando a contracorriente.
Debido a que los fluidos espesantes son suspensiones densas, no son transparentes. Los investigadores solo pudieron observar el flujo en la centena de micrones más cercana a la pared del tubo. Agregaron trazadores fluorescentes que les proporcionaron los gradientes de velocidad del flujo, a lo largo de la pared y hacia el centro del tubo.
Así identificaron la zona de confinamiento, denominada solitón friccional porque los granos rozan en ella y suben el flujo como una onda aislada. El solitón se extiende continuamente hacia arriba mientras se desintegra hacia abajo. Solo hay un solitón a la vez en el tubo y solo aparece cuando la presión lleva las tensiones por encima del umbral de solidificación. Una vez que el solitón llega a la parte superior del tubo, desaparece para reformarse de inmediato en la parte inferior y retomar su ascenso.
El solitón se forma en el extremo del tubo en cuanto se abre la válvula. Remonta el flujo, extendiéndose tan rápidamente hacia arriba como se desintegra hacia abajo, sin bloquear nunca el flujo.
© A. Bougouin Las mediciones de presión a lo largo del tubo confirman que la pérdida de carga se concentra en el tramo donde se encuentra el solitón, permitiendo que los otros tramos permanezcan fluidos. Este comportamiento se ha verificado para varias suspensiones, formadas por granos de diferente composición, forma y tamaño.
Estos trabajos podrían ayudar a establecer leyes de caudal para numerosas aplicaciones industriales, como en la construcción o en el sector alimentario. Para ello, es necesario comprender qué sucede cuando el flujo también pasa por codos y depósitos.
Referencias:
A frictional soliton controls the resistance law of shear-thickening suspensions in pipes.
Alexis Bougouin, Bloen Metzger, Yoël Forterre, Pascal Boustingorry & Henri Lhuissier.
PNAS, 2024.
https://doi.org/10.1073/pnas.2321581121
Fuente: CNRS INSIS