Una visión tridimensional del caos: los investigadores visualizan por primera vez las turbulencias en el metal líquido provocadas por la temperatura
Los experimentos con metales líquidos no sólo podrían aportar interesantes conocimientos sobre fenómenos geofísicos y astrofísicos de flujo, como las perturbaciones atmosféricas en el borde del sol o el flujo en el núcleo exterior de la Tierra, sino también fomentar aplicaciones industriales, por ejemplo la fundición de acero líquido. Sin embargo, como los metales líquidos no son transparentes, aún faltan técnicas de medición adecuadas para visualizar el flujo en todo el volumen. Un equipo del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) ha obtenido por primera vez una imagen tridimensional detallada de un flujo turbulento de metal líquido impulsado por temperatura utilizando un método de desarrollo propio. En la revista Journal of Fluid Mechanics informan de los retos que han tenido que superar para conseguirlo.
Desde que los investigadores estudian las propiedades de los flujos turbulentos en los fluidos, utilizan un experimento que inicialmente parece bastante sencillo: el fluido se introduce en un recipiente cuya placa base se calienta y cuya tapa se enfría al mismo tiempo. Un equipo del Instituto de Dinámica de Fluidos de la HZDR investiga los detalles de este proceso. "Si la diferencia de temperatura en el fluido supera un determinado límite, el transporte de calor aumenta drásticamente", explica el Dr. Thomas Wondrak, jefe del equipo. Esto ocurre porque se forma el llamado flujo convectivo, que transporta eficazmente el calor. El líquido de la parte inferior se expande, se vuelve más ligero y sube hacia arriba, mientras que las capas más frías de la parte superior se hunden hacia abajo debido a su mayor densidad. "Inicialmente se forma una circulación regular, pero a mayores diferencias de temperatura el flujo se vuelve cada vez más turbulento. Visualizar correctamente este proceso en las tres dimensiones es todo un reto", explica Wondrak, describiendo brevemente la situación inicial del experimento.
Aquí entra en juego la tomografía de flujo inductiva sin contacto (CIFT), una técnica de medición desarrollada en la HZDR: con su ayuda, los investigadores pueden visualizar un flujo tridimensional en líquidos conductores de la electricidad. Utilizan el principio de inducción del movimiento: si se aplica un campo magnético estático, se genera una corriente eléctrica en el fluido debido al movimiento del líquido. Estas corrientes parásitas provocan un cambio en el campo magnético original, que puede medirse fuera del recipiente. De este modo, la estructura del flujo se refleja en la distribución del campo magnético y puede extraerse de los datos de medición mediante un método matemático adecuado. El equipo de Wondrak ha utilizado ahora esta técnica de medición para desvelar el flujo impulsado por la temperatura en una aleación de galio, indio y estaño, que se funde a unos 10 grados centígrados. El componente central del experimento es un cilindro de 64 centímetros de altura que contiene unos 50 litros (aproximadamente 350 kilogramos) de metal líquido, equipado con una sofisticada disposición de 68 sensores para registrar la distribución de la temperatura y 42 sensores de campo magnético de alta sensibilidad.
Experimentos nocturnos de baja interferencia
Además de los sofisticados cálculos matemáticos necesarios para reconstruir el campo de velocidad a partir de los datos magnéticos, el principal reto consiste en medir los campos magnéticos inducidos por el flujo, que son muy pequeños, ya que suelen ser entre dos y cinco órdenes de magnitud más pequeños que el campo magnético aplicado. Con un campo de excitación de 1.000 microteslas, el campo magnético inducido por el flujo que debe medirse es de aproximadamente 0,1 microteslas. A modo de comparación: el campo magnético terrestre, que también se registra y se resta de los valores de medición, tiene una intensidad de unos 50 microteslas. "La más mínima interferencia electromagnética, que se produce cuando se encienden dispositivos eléctricos, por ejemplo, puede interferir con la señal de medición y debe filtrarse. Para reducir al mínimo la influencia de las interferencias, sólo realizamos experimentos por la noche", explica Wondrak.
Cada una de estas mediciones nocturnas proporciona una gran cantidad de datos experimentales sobre el flujo que ofrecen a los investigadores una visión completamente nueva de las complicadas estructuras del flujo, en constante cambio. Los datos obtenidos experimentalmente son únicos, ya que las simulaciones numéricas para los mismos parámetros de flujo de duración comparable no son factibles en un tiempo razonable, ni siquiera en la era actual de la informática de alto rendimiento.
El equipo de Wondrak utiliza conceptos matemáticos modernos para reconocer estructuras espaciales en los complejos campos de velocidad. Por ejemplo, los científicos fueron capaces de identificar patrones recurrentes de uno o varios vórtices giratorios superpuestos en la nave. Esto pone al menos un poco de orden en el caos turbulento y, entre otras cosas, ayuda a comprender mejor la relación entre el flujo y el transporte de calor.
Los físicos también pueden trasladar los conocimientos adquiridos en el experimento de laboratorio a dimensiones mucho mayores en geofísica y astrofísica, como los procesos de flujo en el interior de planetas y estrellas, aplicando parámetros adimensionales que tienen su origen en la teoría de la similitud.
Perspectivas: Nuevos objetivos
Una vez demostrado el potencial de la tomografía de flujo inductiva sin contacto con la presente publicación, los investigadores se están centrando ahora en seguir desarrollando el método de medición. La aplicación de un campo magnético de excitación adicional y el uso de nuevos tipos de sensores de campo magnético prometen un aumento de la precisión de las mediciones. El equipo de Wondrak es optimista y confía en que este método proporcione pronto una visión aún más profunda de los flujos turbulentos de metal líquido.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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