Una nueva forma de identificar tensiones en fluidos complejos

Los investigadores de dinámica de fluidos utilizan muchas técnicas para estudiar flujos turbulentos como las corrientes oceánicas o la atmósfera arremolinada de otros planetas. El equipo de Arezoo Adrekani ha descubierto que una construcción matemática utilizada en estos campos proporciona información valiosa sobre la tensión en geometrías de flujo complejas.

Ardekani, profesor de ingeniería mecánica de la Universidad de Purdue, estudia flujos complejos: desde los procesos de transporte relacionados con productos biofarmacéuticos hasta el comportamiento de los microorganismos alrededor de un derrame de petróleo. «Los fluidos newtonianos como el agua son fáciles de entender porque no tienen microestructura», dijo. «Pero los fluidos complejos tienen macromoléculas que se estiran y relajan, y eso cambia muchas propiedades del fluido, lo que lleva a una dinámica de fluidos muy emocionante».

Los flujos viscoelásticos ocurren con frecuencia en la naturaleza, en entornos biomédicos y en aplicaciones industriales, como las soluciones utilizadas en la remediación de aguas subterráneas. «Cuando el agua subterránea se contamina, los remediadores usan ciertas soluciones a base de polímeros para dispersar productos químicos diseñados para descomponer los contaminantes», dijo Ardekani. «Pero, ¿qué tipo de polímero deberían usar, cuánto y dónde deberían inyectarlo? La única forma de responder a esas preguntas es comprender el comportamiento de estos flujos, que se reduce a medir las tensiones».

Actualmente, la única forma de cuantificar las tensiones de los fluidos poliméricos es una técnica llamada birrefringencia, que mide propiedades ópticas específicas del fluido. Pero es muy difícil de realizar, a menudo impreciso y no se aplica a todos los tipos de macromoléculas.

El equipo de Ardekani ha descubierto una nueva técnica. Los investigadores crearon un marco matemático que toma información de la velocidad del flujo, obtenida de la velocimetría de imágenes de partículas (una técnica común en dinámica de fluidos), y genera topologías de campo de tensión y estiramiento para fluidos complejos. Su investigación ha aparecido en procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias (PNAS).

En la velocimetría de imágenes de partículas (PIV), las partículas trazadoras se inyectan en un fluido. Al usar el movimiento de esas partículas, los investigadores pueden extrapolar información sobre la cinemática general del flujo. Si bien esto se puede usar fácilmente para evaluar la tensión en los fluidos newtonianos, el equipo de Ardekani ha descubierto una correlación matemática entre estas medidas y las tensiones en los flujos viscoelásticos.

Todo se conecta a través de algo llamado estructuras coherentes lagrangianas (LCS). «Las estructuras coherentes lagrangianas son construcciones matemáticas que se utilizan para predecir la dinámica de los flujos de fluidos», dijo Ardekani. «Son utilizados por los oceanógrafos para predecir cómo se moverán las corrientes; los biólogos que rastrean microorganismos; e incluso los astrofísicos, que observan las nubes turbulentas en lugares como Júpiter».

Si bien los investigadores de turbulencia suelen utilizar los LCS, hasta ahora nunca se habían aplicado a la tensión polimérica. «Hemos unido dos ramas dispares de la mecánica continua», dijo Ardekani. «Utilizar el estiramiento lagrangiano y aplicarlo a los campos de tensión eulerianos. Y esto se aplica a una amplia gama de escalas, desde la mesoescala hasta las mediciones a escala industrial».

El documento es una colaboración entre Ardekani, su Ph.D. estudiante Manish Kumar y Jeffrey Guasto, profesor asociado de ingeniería mecánica en la Universidad de Tufts. Presentaron sus hallazgos en noviembre en la 75.ª Reunión Anual de la División de Dinámica de Fluidos de la APS (American Physical Society) en Indianápolis, que Ardekani coorganizó.

Si bien la investigación es en gran parte matemática, Ardekani está emocionado de ver cómo los experimentadores utilizarán la técnica en el laboratorio y en el mundo real. «Usemos de nuevo nuestro ejemplo de remediación de aguas subterráneas», dijo Ardekani. «Los investigadores suelen utilizar análisis de trazadores en los fluidos inyectados para medir el campo de velocidad. Pero ahora, también pueden identificar los campos de tensión, por lo que pueden predecir con mayor precisión el transporte de ese fluido».