Como cualquiera que haya experimentado turbulencia sabe, su inicio y salida son abruptos, y el tiempo que dura parece ser impredecible. Los fluidos de flujo rápido siempre son turbulentos, pero a velocidades más lentas el flujo pasa a ser suave y predecible laminar con intermitenteparches de turbulencia. En el cuerpo humano, la turbulencia de transición puede ser mortal. Cerca de la transición a la turbulencia, las oscilaciones violentas entre el flujo sanguíneo laminar y turbulento pueden provocar aneurismas que rompen las arterias del corazón.
¿Cómo desaparece la turbulencia de transición? ¿Y qué controla su vida útil? Estas preguntas han dejado perplejos a los científicos desde que se realizaron los primeros experimentos en 1883.
Ahora, el físico Nigel Goldenfeld, el estudiante graduado Hong-Yan Shih y el ex estudiante universitario Tsung-Lin Hsieh de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign han desarrollado una comprensión teórica de esta transición laminar-turbulenta que explica la vida de los flujos turbulentos.
"Lo que mis colegas y yo encontramos es una analogía completamente inesperada entre la transición al flujo turbulento y el comportamiento de un ecosistema al borde de la extinción", comenta Goldenfeld.
En este trabajo, los investigadores comenzaron a partir de las ecuaciones más detalladas y fundamentales del flujo de fluido en una tubería, pero descubrieron que cerca de la transición, la mayor parte de la complejidad no era importante. De hecho, para explicar y reproducir a través de la simulación por computadora,Los experimentos más precisos jamás realizados sobre la transición laminar-turbulenta, encontraron que solo se necesitaban dos clases de movimiento de fluido: un modo de vórtice giratorio alrededor del eje de la tubería y fluctuaciones aleatorias e irregulares en el centro de la tubería.sorpresa, estos modos se comportaron como depredadores y presas en un ecosistema al borde de la extinción: el tiempo para que los depredadores y las presas murieran correspondía a la vida del estado de turbulencia de transición.
Los investigadores de Illinois abordaron el problema no pensando en la mecánica de fluidos, sino pensando en las transiciones de fase, los fenómenos complejos que ocurren cuando la materia cambia su estado para ordenarse. Los ejemplos incluyen la formación de imanes, la formación de cristales de hielo a partir deagua, o incluso el orden que ocurrió cuando el Universo se enfrió después del Big Bang, lo que condujo a la formación de toda la materia conocida. Al considerar la transición de turbulencia como una transición de fase, pudieron utilizar técnicas conceptuales y matemáticas que generalmente no se consideranen el contexto del flujo de fluidos, como los métodos de la mecánica estadística moderna e incluso la biología de la población.
El artículo, "Colapso ecológico y la aparición de ondas viajeras al inicio de la turbulencia de corte", se publicó en línea en Física de la naturaleza .
Goldenfeld explica: "En física, a menudo utilizamos descripciones mínimas del comportamiento colectivo, eliminando detalles de partículas individuales. Entonces, si estuviéramos tratando de entender la órbita del planeta Marte alrededor del Sol, podemos fingir que el planetaes un punto, una partícula sin estructura, y luego es bastante simple describir lo que realmente está sucediendo. La transición del flujo laminar a la turbulencia involucra fenómenos muy complicados, la mayoría de los cuales no son importantes. Producir un modelo más simplees útil, porque no estamos cegados por todas las complejidades del fenómeno "
La transición entre flujo laminar y turbulento fue mencionada por primera vez por Osborne Reynolds en un experimento clásico publicado en 1883. Desde entonces, se han realizado varias mediciones de la vida útil de la turbulencia, pero el enorme rango en el que varía la vida útil de la turbulencia creó un experimento experimental insuperabledificultades. En 2008, Björn Hof y sus colegas del Instituto Max Planck en Gotinga, Alemania, hicieron un gran avance, desarrollando una técnica ingeniosa y muy sensible para estudiar cuánto tiempo persisten las fases turbulentas. Estos resultados cuantificaron cómo la vida útil de la turbulencia varió tan fuertemente con las dificultades.la velocidad del flujo del fluido, desafiando la comprensión teórica al principio. Los investigadores de Illinois pudieron dar cuenta de los resultados detallados de estos experimentos y mostrar que se pronostican fenómenos similares cerca de la extinción de los ecosistemas depredador-presa.
El grupo de Illinois tenía pistas de su trabajo sobre biología de poblaciones y dinámica no lineal sobre el ecosistema para la analogía de la turbulencia de las tuberías, pero no fue hasta que Tsung-Lin Hsieh, en ese momento un estudiante universitario, pudo realizar simulaciones detalladas por computadora del flujo de fluidosen una tubería que los detalles específicos quedaron claros.
Goldenfeld señala: "Tsung-Lin usó un maravilloso código de código abierto escrito por la matemática británica Ashley Willis para ejecutar simulaciones por computadora del flujo de tuberías. Estábamos buscando un modo colectivo y lo encontramos".
Las simulaciones por computadora mostraron que en el centro de la tubería, el flujo viaja principalmente a lo largo del eje de la tubería, como era de esperar, pero con grandes fluctuaciones. Pero alrededor del borde interior de la tubería, el grupo de Illinois descubrió qué esconocido como flujo zonal a gran escala: un gran vórtice, similar a la corriente en chorro que circula alrededor de la Tierra. Descubrieron que la turbulencia excita el flujo zonal, pero el flujo zonal inhibe la turbulencia. Entonces la turbulencia se acumula gradualmente, creando laflujo zonal. Cuando el flujo zonal es lo suficientemente fuerte, barre la turbulencia hacia arriba, reduciendo así la turbulencia. Con la turbulencia reducida, el flujo zonal en sí comienza a morir, permitiendo que la turbulencia se acumule, y así comenzar un nuevo ciclo.El comportamiento es una oscilación en la intensidad de la turbulencia, matemáticamente similar a las oscilaciones de la población observadas en la ecología.
Shih explica: "La analogía de este tipo de sistema con las oscilaciones de la turbulencia laminar proporciona un modelo más simple y mínimo para estudiar. La turbulencia fluctuante es análoga a la población de presas, y el flujo zonal es como la población de depredadores. Los paralelos entreestas oscilaciones en el flujo de la tubería y la dinámica depredador-presa en los sistemas biológicos fueron una gran sorpresa para nosotros. En nuestro grupo, también estudiamos problemas biológicos, por lo que fue interesante que pudiéramos aplicar los métodos de la biología al problema de la turbulencia ".
A partir de este descubrimiento, los investigadores pudieron construir el modelo ecológico más simple que poseía todas las simetrías de las interacciones fluidas. Hong-Yan Shih desarrolló un programa de computadora que simulaba la dinámica depredador-presa cerca de la extinción, basándose en su investigación anterior sobre ecologíay dinámica evolutiva. Confirmó que la dinámica del ecosistema imita con precisión el comportamiento matemático encontrado experimentalmente en la transición de la turbulencia laminar en el flujo de la tubería.
Los investigadores de Illinois también mostraron que cerca de la transición, su modelo ecológico simple es matemáticamente equivalente a un modelo aún más simple que se sospechaba que describía la transición laminar-turbulenta. En este modelo, conocido como percolación dirigida, las partículas saltan sobre un desordencelosía, más bien como el agua que se filtra hacia abajo bajo la influencia de la gravedad en una máquina de café. El hecho de que puedan pasar de un lado a otro de la red depende del trastorno, como la compacidad de los granos de café en la máquina de café espresso.En el momento en que las partículas ya no pueden pasar, el sistema se comporta matemáticamente como la transición en turbulencia, como se indicó en experimentos informáticos anteriores de Maksim Sipos y Nigel Goldenfeld. Los nuevos resultados establecen que esto no es un accidente y se aplica a ambosturbulencia y ecología.
La turbulencia es importante económicamente, ya que crea mucha más fricción que el flujo laminar, lo que hace que el transporte de petróleo y otros fluidos a través de tuberías sea costoso e intensivo en energía. Los investigadores de Illinois esperan que su trabajo pueda conducir a una mejor comprensión de cómo el inicio dela turbulencia se puede controlar, lo que puede reducir los costos de energía en los oleoductos. El trabajo también puede tener implicaciones para la medicina cardiovascular, tal vez reduciendo el riesgo de aneurismas.
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Materiales proporcionado por Facultad de Ingeniería de la Universidad de Illinois . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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