El flujo de materiales granulares, como arena y partículas catalíticas utilizadas en reactores químicos, y permite una amplia gama de fenómenos naturales, desde deslizamientos de tierra hasta volcanes, así como una amplia gama de procesos industriales, desde la producción farmacéutica hasta la captura de carbono.Si bien el movimiento y la mezcla de la materia granular a menudo muestran sorprendentes similitudes con los líquidos, como en el movimiento de dunas de arena, avalanchas y arenas movedizas, la física subyacente a los flujos granulares no se entiende tan bien como los flujos de líquidos.
Ahora, un descubrimiento reciente de Chris Boyce, profesor asistente de ingeniería química en Columbia Engineering, explica una nueva familia de inestabilidades gravitacionales en partículas granulares de diferentes densidades que son impulsadas por un mecanismo de canalización de gases no visto en fluidos. En colaboración conEl equipo de Boyce, profesor de ciencias de la ingeniería y la energía, Christoph Müller, en ETH Zurich, observó una inestabilidad inesperada similar a Rayleigh-Taylor RT en la que los granos más ligeros se elevan a través de los granos más pesados en forma de "dedos" y "burbujas granulares".que se producen por las interacciones de dos fluidos de diferentes densidades que no se mezclan, por ejemplo, aceite y agua, porque el fluido más ligero empuja a un lado el más pesado, no se ha visto entre dos materiales granulares secos.
El estudio, publicado hoy en el Actas de la Academia Nacional de Ciencias , es el primero en demostrar que las "burbujas" de arena más clara se forman y se elevan a través de arena más pesada cuando los dos tipos de arena están sujetos a vibraciones verticales y flujo de gas ascendente, similar a las burbujas que se forman y se elevan en las lámparas de lava.El equipo descubrió que, al igual que las burbujas de aire y aceite se elevan en el agua porque son más livianas que el agua y no quieren mezclarse con ella, las burbujas de arena ligera se elevan a través de arena más pesada a pesar de que dos tipos de arena prefieren mezclarse.
"Creemos que nuestro descubrimiento es transformador", dice Boyce "Hemos encontrado un análogo granular de una de las últimas inestabilidades mecánicas de fluidos principales. Mientras que los análogos de las otras inestabilidades principales se han descubierto en flujos granulares en las últimas décadas, la inestabilidad RTha eludido la comparación directa. Nuestros hallazgos no solo podrían explicar las formaciones geológicas y los procesos subyacentes a los depósitos minerales, sino que también podrían usarse en tecnologías de procesamiento de polvo en las industrias de energía, construcción y productos farmacéuticos ".
El grupo de Boyce usó modelos experimentales y computacionales para mostrar que la canalización de gas a través de partículas más ligeras desencadena la formación de patrones de dedos y burbujas. La canalización de gas ocurre porque los grupos de partículas más grandes y ligeras tienen una mayor permeabilidad al flujo de gas que los más pesadosgranos más pequeños. La inestabilidad tipo RT en los materiales granulares surge de una competencia entre la fuerza de arrastre hacia arriba aumentada localmente por la canalización de gas y las fuerzas de contacto hacia abajo, un mecanismo físico completamente diferente al que se encuentra en los líquidos.
Descubrieron que este mecanismo de canalización de gas también genera otras inestabilidades gravitacionales, incluida la ramificación en cascada de una gota granular descendente. También demostraron que la inestabilidad de tipo RT puede ocurrir bajo una amplia variedad de condiciones de flujo de gas y vibración, formando diferentesestructuras bajo diferentes condiciones de excitación.
"Estas inestabilidades, que pueden aplicarse a una variedad de sistemas, arrojan nueva luz sobre la dinámica granular y sugieren nuevas oportunidades para crear patrones dentro de mezclas granulares para formar nuevos productos en la industria farmacéutica, por ejemplo", agrega Boyce. "Estamosespecialmente entusiasmado con el impacto potencial de nuestros hallazgos en las ciencias geológicas: estas inestabilidades pueden ayudarnos a comprender cómo se han formado las estructuras a lo largo de la larga historia de la Tierra y predecir cómo se formarán otras en el futuro ".
Boyce ahora está investigando otros fenómenos similares a líquidos y estructurados en partículas de arena y cuantificando su comportamiento. También está en conversaciones con geólogos y vulcanólogos para explorar más sobre cómo este proceso y otros similares ocurren en el mundo natural.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Columbia . Original escrito por Holly Evarts. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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