Ricercatori dell'Istituto di Scienze Industriali, L'Università di Tokyo, ha utilizzato un sofisticato modello fisico per simulare il comportamento dei fluidi che si muovono attraverso i tubi. Includendo la possibilità di formazione di bolle indotta dal taglio, scoprono che, contrariamente alle ipotesi di molti lavori precedenti, i fluidi possono subire uno slittamento significativo quando vengono a contatto con confini fissi. Questa ricerca può aiutare a ridurre le perdite di energia durante il pompaggio di fluidi, che è una preoccupazione significativa in molte applicazioni industriali, come fornitori di gas e petrolio.

La fluidodinamica è una delle aree più impegnative della fisica. Anche con computer potenti e l'uso di ipotesi semplificatrici, simulazioni accurate del flusso del fluido possono essere notoriamente difficili da ottenere. I ricercatori hanno spesso bisogno di prevedere il comportamento dei fluidi nelle applicazioni del mondo reale, come il petrolio che scorre in un oleodotto. Per facilitare il problema, è stata pratica comune presumere che all'interfaccia tra il fluido e il confine solido, in questo caso, la parete del tubo:il fluido scorre senza scivolare. Però, le prove a sostegno di questa scorciatoia sono mancate. Ricerche più recenti hanno dimostrato che lo slittamento può verificarsi in determinate circostanze, ma il meccanismo fisico è rimasto misterioso.

Ora, comprendere più rigorosamente l'origine dello slittamento del flusso, i ricercatori dell'Università di Tokyo hanno creato un modello matematico avanzato che include la possibilità che il gas disciolto si trasformi in bolle sulla superficie interna del tubo.

"La condizione al contorno antisdrucciolo del flusso di liquidi è uno dei presupposti più fondamentali nella fluidodinamica, " spiega il primo autore Yuji Kurotani. "Tuttavia, non esiste un fondamento fisico rigoroso per questa condizione, che ignora gli effetti delle bolle di gas."

Per fare questo, i ricercatori hanno combinato le equazioni di Navier-Stokes, quali sono le leggi fondamentali che governano il flusso dei fluidi, con la teoria di Ginzburg-Landau, che descrivono le transizioni di fase come il passaggio da un liquido a un gas. Le simulazioni hanno rivelato che lo slittamento del flusso può essere causato da minuscole microbolle che si formano sulla parete del tubo. le bolle, che sono creati dalle forze di taglio nel fluido, spesso sfuggono al rilevamento nella vita reale perché rimangono molto piccoli.

"Abbiamo scoperto che i cambiamenti di densità che accompagnano la variazione della viscosità possono destabilizzare il sistema verso la formazione di bolle. La formazione in fase gassosa indotta dal taglio fornisce una spiegazione fisica naturale per lo scorrimento del flusso, ", afferma l'autore senior Hajime Tanaka.

Dice Kurotani, "I risultati del nostro progetto possono aiutare a progettare nuovi tubi che trasportano fluidi viscosi, come carburante e lubrificanti, con perdite di energia molto più piccole."

L'opera è pubblicata in Progressi scientifici come "Un nuovo meccanismo fisico di scorrimento del flusso di liquido su una superficie solida".