Onderzoekers van het Instituut voor Industriële Wetenschappen, De Universiteit van Tokio, gebruikte een geavanceerd fysiek model om het gedrag van vloeistoffen die door leidingen bewegen te simuleren. Door de mogelijkheid van door afschuiving geïnduceerde bellenvorming op te nemen, dat vinden ze, in tegenstelling tot de veronderstellingen van veel eerdere werken, vloeistoffen kunnen aanzienlijke slip ervaren wanneer ze in contact komen met vaste grenzen. Dit onderzoek kan helpen energieverliezen te verminderen bij het verpompen van vloeistoffen, wat een belangrijk punt van zorg is in veel industriële toepassingen, zoals gas- en olieleveranciers.

Vloeistofdynamica is een van de meest uitdagende gebieden van de natuurkunde. Zelfs met krachtige computers en het gebruik van vereenvoudigende aannames, nauwkeurige simulaties van vloeistofstroom kunnen notoir moeilijk te verkrijgen zijn. Onderzoekers moeten vaak het gedrag van vloeistoffen voorspellen in toepassingen in de echte wereld, zoals olie die door een pijpleiding stroomt. Om het probleem gemakkelijker te maken, het is gebruikelijk om aan te nemen dat op het grensvlak tussen de vloeistof en de vaste grens - in dit geval, de buiswand - de vloeistof stroomt zonder te slippen. Echter, het bewijs om deze snelkoppeling te ondersteunen ontbrak. Meer recent onderzoek heeft aangetoond dat slippen onder bepaalde omstandigheden kan optreden, maar het fysieke mechanisme is mysterieus gebleven.

Nutsvoorzieningen, om de oorsprong van stromingsslip beter te begrijpen, onderzoekers van de Universiteit van Tokio hebben een geavanceerd wiskundig model gemaakt dat de mogelijkheid omvat dat opgelost gas in bellen verandert op het binnenoppervlak van de pijp.

"De no-slip randvoorwaarde van vloeistofstroom is een van de meest fundamentele aannames in de vloeistofdynamica, " legt eerste auteur Yuji Kurotani uit. "Echter, er is geen rigoureuze fysieke basis voor deze aandoening, die de effecten van gasbellen negeert."

Om dit te doen, de onderzoekers combineerden de Navier-Stokes-vergelijkingen, wat de basiswetten zijn die de vloeistofstroom regelen, met Ginzburg-Landau theorie, die faseovergangen beschrijven, zoals de overgang van een vloeistof naar een gas. De simulaties onthulden dat stromingsslip kan worden veroorzaakt door kleine microbellen die zich op de buiswand vormen. de bubbels, die worden gecreëerd door de schuifkrachten in de vloeistof, ontsnappen vaak aan detectie in het echte leven omdat ze erg klein blijven.

"We ontdekten dat de dichtheidsveranderingen die gepaard gaan met viscositeitsvariatie het systeem kunnen destabiliseren in de richting van bellenvorming. Door afschuiving geïnduceerde gasfasevorming biedt een natuurlijke fysieke verklaring voor het wegglijden van de stroming, ", zegt senior auteur Hajime Tanaka.

zegt Kurotani, "De resultaten van ons project kunnen helpen bij het ontwerpen van nieuwe leidingen die viskeuze vloeistoffen transporteren, zoals brandstof en smeermiddelen, met veel kleinere energieverliezen."

Het werk is gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang als "Een nieuw fysiek mechanisme van slippen van vloeistofstromen op een vast oppervlak."