Een professor in milieutechniek van de Oregon State University heeft een decennia oud mysterie opgelost met betrekking tot het gedrag van vloeistoffen. een vakgebied met wijdverbreide medische, industriële en milieutoepassingen.

Het onderzoek door Brian D. Wood, gepubliceerd in de Journal of Fluid Mechanics , ruimt een wegversperring op die de wetenschappelijke geesten al bijna 70 jaar in verwarring brengt en maakt de weg vrij voor een duidelijker beeld van hoe chemicaliën zich in vloeistoffen mengen.

Een vollediger begrip van dat basisprincipe biedt een basis voor vooruitgang op een groot aantal gebieden - van hoe verontreinigende stoffen zich in de atmosfeer verspreiden tot hoe drugs weefsels in het menselijk lichaam doorbloeden.

Gefinancierd door de National Science Foundation, Wood's werk met dispersietheorie bouwt voort op onderzoek door een van de meest getalenteerde wetenschappers in de geschiedenis van de staat Oregon, Octaaf Levenspiel. Een 1952 chemische technologie Ph.D. afgestudeerd en later een oud faculteitslid, Levenspiel publiceerde in 1957 een belangrijk artikel over dispersie in chemische reactoren op weg om de eerste inducte van het college te worden voor de National Academy of Engineering.

Nog belangrijker, het onderzoek van Wood overbrugt een al lang bestaande kloof in een van de fundamentele principes van de vloeistofmechanica:Taylor-dispersietheorie. Genoemd naar de Britse natuurkundige en wiskundige G.I. Taylor, auteur van een baanbrekend artikel uit 1953, de theorie heeft betrekking op verschijnselen waarbij schommelingen in de snelheidsvelden van een vloeistof ervoor zorgen dat chemicaliën zich daarin verspreiden.

"Het proces van dispersieve verspreiding heeft de neiging om in de loop van de tijd toe te nemen totdat het een stabiel niveau bereikt, Wood zei. "Je kunt het zien als analoog aan investeringen in een startup, waarin de rendementen aanvankelijk erg hoog kunnen zijn voordat ze zich vestigen op een duurzamer niveau dat bijna constant is."

Taylor's theorie was de eerste die onderzoekers in staat stelde om dat constante niveau van dispersie te voorspellen met behulp van wat bekend staat als de macroscopische dispersievergelijking. De vergelijking kan de netto beweging van een chemische stof in een vloeistof beschrijven, op voorwaarde dat er voldoende tijd is verstreken vanaf het moment dat de chemische stof de vloeistof binnenkwam.

"Dat was destijds een belangrijke openbaring, Wood zei. "Het was vergelijkbaar met wat onderzoekers theoretisch deden in andere disciplines, zoals kwantummechanica."

Hoewel Taylors theorie succesvol en revolutionair was, onderzoekers worstelden nog steeds met het probleem hoe dispersieve verspreiding evolueert vanuit zijn dynamische, vroeg gedrag - wat de begintoestand wordt genoemd - tot wanneer het de meer constante waarde bereikt die door Taylor is voorspeld.

Wetenschappers vonden enig succes door aan de vergelijking een tijdsafhankelijke dispersiecoëfficiënt toe te voegen, maar de coëfficiënt creëerde zijn eigen problemen, de eerste is paradoxen.

"Bijvoorbeeld, als chemische opgeloste stoffen die op twee verschillende tijdstippen in een vloeistof worden geïnjecteerd elkaar overlappen, welke tijd wijs je toe aan de dispersiecoëfficiënt?' Wood zei. 'Taylor zelf begreep dat, waar een tijdsafhankelijke dispersiecoëfficiënt werd aangenomen, hedendaagse theorieën geschonden fundamentele noties van causaliteit in de natuurkunde."

Wood en medewerkers gebruikten een ander kanon, de theorie van partiële differentiaalvergelijkingen, om aan te tonen dat problemen met de tijdsafhankelijke dispersiecoëfficiënt voortkwamen uit het verwaarlozen van de relaxatie van de opgeloste stof - de chemische stof die in de vloeistof werd geïnjecteerd, of oplossing - van de oorspronkelijke toestand.

"Als chemische stoffen voor het eerst worden geïnjecteerd, hun gedrag is niet noodzakelijk consistent met een dispersie-type vergelijking, Wood legde uit. de begintoestand moet eerst 'ontspannen'. Gedurende deze periode, er is een extra term om rekening mee te houden die ontbrak in Taylor's dispersievergelijking op macroschaal."

In een vergelijking, een term verwijst naar een enkel getal of een variabele, of getallen en variabelen met elkaar vermenigvuldigd.

De term toegevoegd Wood corrigeert de dispersievergelijking om rekening te houden met de initiële configuratie van de chemische soorten die zich in de vloeistof verplaatsen. Enigszins verrassend, Hout zei, de theorie lost ook paradoxen in andere theorieën op met tijdsafhankelijke dispersiecoëfficiënten.

"In de nieuwe theorie er is nooit een vraag over welke dispersiecoëfficiënt moet worden gebruikt wanneer chemische opgeloste stoffen elkaar overlappen, " zei hij. "De aanpassing aan het verspreidingsproces wordt automatisch verklaard door de aanwezigheid van de extra termijn."