Инъекция хаоса раскрывает многолетнюю загадку жидкости

Адам Манн

жидкости можно условно разделить на две категории: обычные и странные. Обычные, такие как вода и спирт, действуют более или менее ожидаемо, когда их прокачивают через трубы или перемешивают ложкой. Среди самых странных, к которым относятся такие вещества, как краска, мед, слизь, кровь, кетчуп и улек, скрывается множество поведенческих загадок, которые веками ставили исследователей в тупик.

Одна из таких давних загадок, впервые сформулированная почти 55 лет назад, возникает, когда определенные жидкости текут через трещины и отверстия в пористом ландшафте, таком как губчатая почва. Сначала жидкость будет течь нормально. Но по мере того, как его скорость потока увеличивается, он преодолевает критический порог, когда кажется, что он внезапно сливается — его вязкость резко возрастает, как мартини, превращающийся в патоку.

Исследование , проведенное в ноябре 2021 года , указывает на влияние крошечных молекул, взвешенных в жидкости, которые вращаются и растягиваются по мере увеличения скорости потока. В какой-то момент молекулярное движение приводит к тому, что поток жидкости становится хаотичным, вздымающимся и колеблющимся в запутанных водоворотах, которые замыкаются сами на себя. Наступление хаоса — это то, что препятствует движению жидкости. Находка может найти применение, начиная от 3D-печати и заканчивая восстановлением грунтовых вод и добычей нефти.

«Это красивая рукопись», — сказал Пауло Арратиа , изучающий сложные жидкости в Пенсильванском университете и не участвовавший в работе.

В 1960-х годах реолог Артур Мецнер и его студент бакалавриата Рональд Маршалл работали на нефтяных месторождениях, где инженеры часто закачивали в землю воду, смешанную с так называемыми толкающими жидкостями, чтобы вытеснить нефть и помочь извлечь каждую каплю сырой нефти. Ученые заметили, что когда толкающая жидкость, содержащая полимеры с длинной цепью, закачивалась в землю с превышением определенной скорости, она, казалось, неожиданно становилась намного более вязкой или липкой — эффект, обнаруженный позже во многих подобных системах.

«Вязкость — это одна из самых важных вещей, которые вы хотите предсказывать, контролировать и характеризовать», — сказал Суджит Датта , инженер-химик из Принстонского университета, который, будучи аспирантом, наткнулся на статью Метцнера и Маршалла 1967 года по этому вопросу. «Я подумал: «Это немного смущает, что даже после десятилетий глубоких исследований мы до сих пор не знаем, почему вязкость такая, какая она есть, и как объяснить ее увеличение».

Жидкости толкателя и другие вязкоупругие жидкости, как они известны, могут содержать длинные сложные молекулы. Сначала ученые подумали, что, возможно, эти молекулы скапливаются в порах земли, засоряя их, как волосы в канализации. Но вскоре они поняли, что это не простые засорения. Как только скорость потока падала ниже критического порога, обструкция, казалось, полностью исчезала.

Поворотный момент наступил в 2015 году, когда группа из Исследовательского центра Schlumberger Gould в Кембридже, Англия, упростила проблему. Исследователи построили двухмерный аналог песчаной почвы с каналами субмиллиметрового размера, ведущими в лабиринт крестообразных кусочков. Затем они прокачивали жидкости, содержащие различные концентрации молекул, через систему. Команда заметила, что при превышении определенного расхода движение жидкости становилось беспорядочным и беспорядочным в промежутках между крестами, что значительно замедляло общее движение жидкости.

Теоретически что-то подобное должно быть почти невозможно. На обычные жидкости сильно влияет инерция, их тенденция продолжать течь. Вода, например, обладает большой инерцией. По мере того, как вода движется все быстрее и быстрее, небольшие потоки в потоке начинают опережать другие участки жидкости, что приводит к хаотическим водоворотам.

Сложная жидкость, такая как мед, напротив, имеет очень небольшую инерцию. Он перестанет течь, как только вы перестанете его мешать. Из-за этого у него возникают проблемы с созданием «инерционной турбулентности» — обычного вида турбулентности, которая возникает в стремительном потоке или под крыльями самолета.

Эксперименты кембриджской группы, а также поведение, наблюдаемое Метцнером и Маршаллом, происходили в жидкостях, где влияние инерции было очень низким. Никакой инерционной турбулентности не должно было появиться, но исследователи все же обнаружили хаотическое течение.

Должен был действовать второй тип турбулентности. Когда жидкости, содержащие длинные молекулярные цепи, текут спокойно, эти полимеры просто плывут, как маленькие баржи. Но по мере увеличения скорости потока молекулы начинают вращаться и кувыркаться. Молекулярное движение давит на жидкость и порождает явление, называемое упругой турбулентностью, которое ученые до сих пор не до конца понимают.

Чтобы исследовать возможную роль упругой турбулентности, экспериментаторы в Кембридже подмешали яркие флуоресцентные частицы в свои жидкости, чтобы проследить движение, и увидели, что жидкости в пространстве между крестами в их установке стали неупорядоченными. По словам Датты, впервые исследователи смогли связать упругую турбулентность с неожиданным увеличением вязкости жидкостей в пористых ландшафтах.

Вопрос заключался в том, будет ли нечто подобное иметь место в трех измерениях. В своей лаборатории Датта исследует такие вопросы, используя стеклянные шарики, которые имитируют прозрачную почву или отложения. «Есть цитата великого американского философа и бейсболиста Йоги Берра: «Можно многое увидеть, просто наблюдая», — сказал он. «Я думаю, что это вся моя исследовательская программа в двух словах».

Датта и его коллега Кристофер Браун вводили свои собственные флуоресцентные микрочастицы в жидкости, содержащие полимер, а затем снимали движение сложных жидкостей через их установку. По мере того, как скорость потока увеличивалась, жидкость начинала кувыркаться и зацикливаться сама на себе, сначала в одной-двух порах, затем еще в нескольких и, в конце концов, во всех порах. Исследователи знали, что это должна быть упругая турбулентность, потому что влияние инерции в этих веществах было чрезвычайно мало, по крайней мере, в миллион раз ниже типичного порога появления инерционной турбулентности. Их выводы появились 5 ноября 2021 года в журнале Science Advances .

Датта больше всего волнует потенциальное использование эластичной турбулентности для очистки грязных грунтовых вод. Исследователи пытались очистить загрязненные подземные водоносные горизонты, закачивая в них полимерсодержащую жидкость, которая должна проталкивать воду через подземные породы, удерживающие загрязняющие вещества. По словам Датты, новая работа может помочь исследователям разработать состав жидкостей для более эффективного выполнения такой задачи.

Теперь Датта и Браун надеются вернуться к вопросам, возникшим в результате их работы. Можно предположить, что самые маленькие поры в среде — это те, которые первыми становятся турбулентными, но, по-видимому, нет четкой корреляции между размером пор и началом упругой турбулентности, сказал Датта. Его следующей целью является точное определение наиболее важных факторов, таких как форма пор или общая геометрия.

«Если мы сможем выяснить, когда данная пора станет нестабильной при заданной скорости потока, чтобы предсказать, каким будет общее поведение потока, я думаю, это было бы невероятно», — сказал он.

источник: