Uma viso 3D do caos dentro de um metal derretido

Mecnica

Redação do Site Inovação Tecnológica – 14/03/2024

Imagem da turbulncia

Pesquisadores alemes criaram um aparelho que est permitindo pela primeira vez observar a turbulncia em ao no interior de metais lquidos opacos.

Tudo comeou quando Thomas Wondrak e colegas do Centro Helmholtz Dresden-Rossendorf estavam tentando estudar metais lquidos, um tema no apenas de grande interesse industrial – pense em toda a metalurgia e siderurgia, por exemplo -, como tambm com implicaes geofsicas e astrofsicas – pense no fluxo de magma no interior dos planetas, por exemplo.

No entanto, todos esses estudos tm grandes deficincias porque os metais em estado lquidos- ou liquefeitos, ou derretidos – no so transparentes, o que significa que no possvel visualizar o fluxo de calor e a turbulncia em todo o seu volume.

Hoje, os pesquisadores investigam as propriedades dos fluxos turbulentos colocando o fluido em anlise dentro de um recipiente cuja base aquecida e cuja tampa resfriada ao mesmo tempo. “Se a diferena de temperatura no fluido exceder um certo limite, o transporte de calor aumenta drasticamente,” explicou Wondrak. Isso acontece porque se forma um chamado fluxo convectivo, que transporta efetivamente o calor. O lquido na parte inferior se expande, torna-se mais leve e sobe, enquanto as camadas mais frias na parte superior afundam devido sua maior densidade.

“Inicialmente, forma-se uma circulao regular, mas em diferenas de temperatura maiores o fluxo torna-se cada vez mais turbulento. Visualizar corretamente esse processo em todas as trs dimenses um desafio,” detalhou Wondrak, descrevendo o desafio que ele decidiu enfrentar.

Vendo o interior do metal fundido

Para visualizar o que est ocorrendo no interior do metal fundido, a equipe alem usou o princpio da induo de movimento: Se um campo magntico esttico for aplicado, uma corrente eltrica gerada no fluido devido ao movimento do prprio lquido.

Essas correntes parasitas causam uma mudana no campo magntico original, que pode ser medido externamente. Desta forma, a estrutura do fluxo refletida na distribuio do campo magntico e pode ser extrada dos dados de medio utilizando um mtodo matemtico adequado, por meio de um programa de computador. A equipe chama a tcnica de “tomografia indutiva de fluxo sem contato”.

O material escolhido para os testes da nova tcnica foi o tradicional metal lquido, uma liga de glio-ndio-estanho que derrete a cerca de 10 C. O componente central do experimento um cilindro de 64 centmetros de altura contendo cerca de 50 litros (aproximadamente 350 quilogramas) de metal lquido, equipado com um sofisticado arranjo de 68 sensores para registrar a distribuio de temperatura e 42 sensores de campo magntico altamente sensveis.

Os dados obtidos experimentalmente so nicos, uma vez que simulaes numricas para os mesmos parmetros de fluxo no so viveis em um perodo de tempo razovel, mesmo na era atual da computao de alto desempenho.

Nem em simulaes esses fluxos turbulentos haviam sido vistos porque no existem computadores capazes de prev-los de modo realista.
[Imagem: Thomas Wondrak Open the et al. – 10.1017/jfm.2023.794]

Resultados e melhorias

Os primeiros experimentos revelaram estruturas espaciais complexas. Por exemplo, os cientistas conseguiram identificar padres recorrentes de um ou mais vrtices giratrios situados uns sobre os outros. Isto traz pelo menos um pouco de ordem ao caos turbulento e, entre outras coisas, ajuda a compreender melhor a relao entre fluxo e transporte de calor.

O conhecimento obtido no experimento de laboratrio tambm pode ser escalonado para dimenses muito maiores, para estudar processos atuando em geofsica e astrofsica, como os fluxos no interior dos planetas e estrelas – para isso basta aplicar parmetros adimensionais que tm origem na teoria da similaridade.

Os pesquisadores j tm planos para melhorar ainda mais a qualidade e a resoluo das suas imagens. A adio de um campo magntico de excitao adicional e o uso de novos tipos de sensores de campo magntico prometem um aumento na preciso da medio. Com isto, a equipe espera obter em breve insights ainda mais profundos sobre os fluxos turbulentos de metais lquidos ou liquefeitos.

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