Пузыри плывут по течению

Исследователи из Института промышленных наук Токийского университета использовали сложную физическую модель для моделирования поведения жидкостей, движущихся по трубам. Включая возможность образования пузырей, вызванных сдвигом, они обнаружили, что, вопреки предположениям многих предыдущих работ, жидкости могут испытывать значительное проскальзывание при контакте с фиксированными границами. Это исследование может помочь уменьшить потери энергии при перекачке жидкостей, что является серьезной проблемой во многих промышленных применениях, таких как поставщики газа и нефти.

Гидродинамика — одна из самых сложных областей физики. Даже с мощными компьютерами и использованием упрощенных допущений точное моделирование потока жидкости может быть чрезвычайно сложно получить. Исследователям часто необходимо прогнозировать поведение жидкостей в реальных приложениях, таких как нефть, протекающая по трубопроводу. Чтобы облегчить проблему, было принято считать, что на границе раздела между жидкостью и твердой границей — в данном случае стенкой трубы — жидкость течет без проскальзывания. Тем не менее, доказательств в поддержку этого сокращения не хватает. Более поздние исследования показали, что проскальзывание может происходить при определенных обстоятельствах, но физический механизм остается загадочным.

Теперь, чтобы более точно понять причину проскальзывания потока, исследователи из Токийского университета создали усовершенствованную математическую модель, которая включает возможность превращения растворенного газа в пузырьки на внутренней поверхности трубы.

«Граничное условие скольжения потока жидкости является одним из наиболее фундаментальных предположений в динамике жидкости», — объясняет первый автор Юджи Куротани. «Тем не менее, нет строгого физического основания для этого условия, которое игнорирует влияние газовых пузырьков».

Чтобы сделать это, исследователи объединили уравнения Навье-Стокса, которые являются основными законами, управляющими потоком жидкости, с теорией Гинзбурга-Ландау, которая описывает фазовые переходы, такие как переход от жидкости к газу. Моделирование показало, что проскальзывание потока может быть вызвано крошечными микропузырьками, которые образуются на стенке трубы. Пузырьки, которые создаются силами сдвига в жидкости, часто не обнаруживаются в реальной жизни, потому что они остаются очень маленькими.

«Мы обнаружили, что изменения плотности, сопровождающие изменение вязкости, могут дестабилизировать систему в направлении образования пузырьков. Образование газовой фазы, вызванное сдвигом, обеспечивает естественное физическое объяснение проскальзывания потока», — говорит старший автор Хаджиме Танака.

По словам Куротани, «результаты нашего проекта могут помочь в разработке новых труб, которые транспортируют вязкие жидкости, такие как топливо и смазочные материалы, с гораздо меньшими потерями энергии».