Quer se trate de sopros cardíacos e transporte de petróleo por oleoduto, ou aviões esburacados e a dispersão de poluentes, a turbulência desempenha um papel importante em muitos eventos diários. Mas, apesar de ser comum, os cientistas ainda não entendem completamente o comportamento aparentemente imprevisível dos redemoinhos e redemoinhos em fluxos turbulentos.
Agora, uma nova técnica para medir fluxos turbulentos foi desenvolvida por uma colaboração internacional de cientistas do Instituto de Ciência e Tecnologia da Universidade de Pós-Graduação (OIST) de Okinawa no Japão, juntamente com a Universidade de Genova, Itália, KTH Estocolmo, Suécia e ETH Zurique , Suíça. Usando fibras em vez de partículas – o método usual de medição – os pesquisadores puderam obter uma imagem mais detalhada dos fluxos turbulentos. Seu método foi relatado em 17 de setembro na revista Physical Review X.
“A turbulência é um fenômeno único e complicado, até mesmo chamado de último problema não resolvido na física clássica”, disse o Dr. Stefano Olivieri, pesquisador de pós-doutorado da Unidade de Fluidos e Fluxos Complexos do OIST, que foi o autor do estudo. “É difícil prever, simular e medir.”
Medir fluxos turbulentos é um desafio urgente para os físicos por várias razões. A turbulência não é apenas caracterizada por sua natureza caótica e aleatória, mas também ocorre em várias escalas ao mesmo tempo. Em fluxos turbulentos, os vórtices rodopiantes de fluido se quebram em redemoinhos que são cada vez menores em escala, até que eventualmente os redemoinhos são tão pequenos e viscosos que a energia cinética do fluido é transferida para o ambiente como calor.
Atualmente, a forma mais comum de medir fluxos turbulentos é rastreando o movimento das partículas, chamadas traçadores, que são adicionadas ao fluido. Essas partículas são minúsculas e de densidade semelhante à do fluido e, portanto, movem-se na mesma velocidade e na mesma direção do fluxo.
Mas para observar como cada redemoinho de fluido está se movendo, observar como uma partícula se move não é suficiente. Os físicos precisam ser capazes de determinar como duas partículas que estão a uma distância específica se movem em relação uma à outra. Quanto menor o redemoinho, mais próximas as duas partículas precisam estar para caracterizar o movimento do vórtice.
Para tornar as coisas mais desafiadoras, uma das características definidoras da turbulência é sua difusividade – um fluxo turbulento se espalhará ao longo do tempo, e o mesmo acontecerá com os traçadores, especialmente em fluxos abertos, como uma corrente oceânica. Em muitos casos, os traçadores podem se espalhar rapidamente para medir como os redemoinhos estão se comportando.
“Cada partícula traçadora está se movendo independentemente umas das outras, então você precisa de muitas partículas traçadoras para encontrar aquelas que estão na distância certa”, explicou o professor Marco Rosti, que lidera a Unidade de Fluidos e Fluxos do Complexo OIST.
“E muitas partículas traçadoras podem interromper o fluxo”, acrescentou.
Para contornar esse problema, a equipe de pesquisa desenvolveu uma solução inovadora e fácil para o problema: usar fibras em vez de partículas traçadoras.
Os pesquisadores criaram uma simulação de computador em que fibras de diferentes comprimentos foram adicionadas a um fluxo turbulento. Essas fibras eram rígidas, o que mantinha as pontas de cada fibra separadas por uma distância fixa. Ao rastrear como cada fibra se movia e girava dentro do fluido ao longo do tempo, os pesquisadores foram capazes de construir uma imagem que abrangia a escala total e a estrutura do fluxo turbulento.
“Usando fibras rígidas, podemos medir a diferença na velocidade e na direção do fluxo em dois pontos separados por uma distância fixa, e podemos ver como essas diferenças mudam dependendo da escala do redemoinho. As fibras mais curtas também nos permitiram medir com precisão a taxa na qual a energia cinética do fluido é transferida da escala maior para a menor, onde é então dissipada pelo calor. Este valor, denominado taxa de dissipação de energia, é uma quantidade crucial na caracterização de fluxos turbulentos “, disse o Prof. Rosti.
Os pesquisadores também realizaram o mesmo experimento em laboratório. Eles fabricaram duas fibras diferentes, uma feita de náilon e outra de um polímero chamado polidimetilsiloxano. A equipe testou essas duas fibras adicionando-as a um tanque de água que continha água turbulenta e descobriu que as fibras deram resultados semelhantes à simulação.
No entanto, o uso de fibras rígidas traz uma advertência importante, enfatizaram os cientistas, já que o movimento geral das extremidades da fibra é restrito.
“Devido à rigidez da fibra, as extremidades da fibra não podem se mover uma em direção à outra, mesmo que essa seja a direção do fluxo. Isso significa que uma fibra não pode representar totalmente o movimento do fluxo da mesma forma que as partículas traçadoras podem.” explicou o Dr. Olivieri. “Portanto, antes mesmo de começarmos as simulações ou experimentos de laboratório, primeiro precisamos desenvolver uma teoria adequada que levasse essas limitações de movimento em consideração. Esta foi talvez a parte mais desafiadora do projeto.”
Os pesquisadores também mediram o mesmo fluxo turbulento em laboratório da maneira convencional, adicionando uma alta concentração de partículas traçadoras ao tanque de água. Os resultados obtidos com os dois métodos diferentes foram semelhantes, verificando que o método da fibra e a teoria recém-desenvolvida forneceram informações precisas.
Avançando, os pesquisadores esperam expandir seu método para incorporar fibras flexíveis que têm menos restrições sobre como se movem. Eles também planejam desenvolver uma teoria que pode ajudar a medir a turbulência em fluidos não newtonianos mais complexos que se comportam de maneira diferente da água ou do ar.
“Esta nova técnica tem um grande potencial estimulante, especialmente para cientistas que estudam turbulência em grandes fluxos abertos, como as correntes oceânicas”, disse o Prof. Rosti. “E ser capaz de medir facilmente quantidades que antes eram difíceis de obter nos leva um passo mais perto de compreender totalmente a turbulência.”
Publicado em 18/09/2021 10h32
Artigo original:
Estudo original: