کشف روش جدید برای تشخیص تنش‌ها در سیالات پیچیده

محققان دینامیک سیالات از تکنیک‌های زیادی برای مطالعه تنش در سیالات پیچیده مانند جریان‌های اقیانوسی یا جو چرخان سیارات دیگر استفاده می‌کنند. تیمی به سرپرستی محقق ایرانی کشف کرده است که یک ساختار ریاضی مورد استفاده در این زمینه ها اطلاعات ارزشمندی در مورد تنش در سیالات  پیچیده ارائه می دهد.

به گزارش تکناک، این محقق ایرانی و استاد مهندسی مکانیک دانشگاه پوردو، جریان‌های پیچیده شامل فرآیندهای حمل و نقل مربوط به بیوداروها تا رفتار میکروارگانیسم‌ها در اطراف مناطق نشت نفت را مورد مطالعه کرده است. او گفت: سیالات نیوتنی مانند آب به سادگی قابل درک هستند، زیرا آنها ریزساختار ندارند. اما سیالات پیچیده دارای ماکرومولکول‌هایی هستند که کشیده شده و سپس آرام می‌شوند و بسیاری از خواص سیال را تغییر می‌دهند که منجر به دینامیک سیال بسیار هیجان‌انگیز می‌شود.

جریان های ویسکوالاستیک اغلب در طبیعت، در محیط های زیست پزشکی، و در کاربردهای صنعتی رخ می دهد  مانند محلول های مورد استفاده در تصفیه آب های زیرزمینی. اردکانی گفت: زمانی که آب‌های زیرزمینی آلوده می‌شوند، از طریق پراکنده کردن مواد شیمیایی توسط محلول‌های مبتنی بر پلیمر می توان آلاینده ها را تجزیه و سپس تصفیه کرد. اما آنها باید از چه نوع پلیمری استفاده کنند، چه مقدار و کجا باید آن را تزریق کنند؟ تنها راه برای پاسخ به این سؤالات، درک رفتار این جریان‌ها است که به اندازه‌گیری تنش‌ها ختم می‌شود.

در حال حاضر، تنها راه برای تعیین کمیت تنش های سیالات پلیمری، تکنیکی به نام دوشکستگی است که خواص نوری خاص سیال را اندازه گیری می کند. اما انجام آن بسیار دشوار است، اغلب نادرست است، و برای همه انواع ماکرومولکول ها قابل اجرا نیستند.

تیم اردکانی تکنیک جدیدی را کشف کرده است. محققان یک چارچوب ریاضی ایجاد کردند که ورودی را از سرعت جریان که از روش سرعت سنجی تصویر ذرات به دست آمده (یک تکنیک رایج در دینامیک سیالات) می گیرد و توپولوژی های تنش و کشش را برای سیالات پیچیده به صورت خروجی ارائه می دهد. تحقیقات آنها در مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم (PNAS) ارائه شده است.

در سرعت سنجی تصویر ذرات (PIV)، ذرات ردیاب به یک مایع تزریق می شوند. با استفاده از حرکت آن ذرات، محققان می توانند اطلاعاتی در مورد سینماتیک جریان کلی به دست آورند. در حالی که این می تواند به راحتی برای ارزیابی تنش در سیالات نیوتنی مورد استفاده قرار گیرد، تیم اردکانی یک همبستگی ریاضی بین این اندازه گیری ها و تنش های موجود در جریان های ویسکوالاستیک کشف کرده اند.

همه المان ها از طریق چیزی به نام ساختارهای منسجم لاگرانژی (LCS) به هم متصل می شوند. اردکانی گفت: ساختارهای منسجم لاگرانژی سازه های ریاضی هستند که برای پیش بینی دینامیک جریان سیال استفاده می شوند. اقیانوس شناسان برای پیش بینی چگونگی حرکت جریان ها، زیست شناسان برای ردیابی میکروارگانیسم ها و حتی اخترفیزیکدانان برای رصد ابرهای متلاطم در مکان هایی مانند مشتری، از این روش استفاده می کنند.

در حالی که LCSها اغلب توسط محققان جریان های آشفته استفاده می‌شوند، تاکنون هرگز برای تنش پلیمری استفاده نشده‌اند. اردکانی گفت: ما دو شاخه ناهمگون مکانیک پیوسته را متحد کرده ایم. با استفاده از کشش لاگرانژی، و اعمال آن در میدان های تنش اویلر. این نوآوری برای طیف وسیعی از مقیاس‌ها، از مقیاس متوسط گرفته تا اندازه‌گیری مقیاس صنعتی، صدق می‌کند.

این مقاله با همکاری اردکانی، دانشجوی دکترای او مانیش کومار و جفری گواستو، دانشیار مهندسی مکانیک در دانشگاه Tufts انجام شده است. آنها یافته های خود را در نوامبر در هفتاد و پنجمین نشست سالانه APS (انجمن فیزیک آمریکا) بخش دینامیک سیالات در ایندیاناپولیس، ارائه کردند. آنها یافته های خود را در هفتاد و پنجمین نشست سالانه APS (انجمن فیزیک آمریکا) بخش دینامیک سیالات در ایندیاناپولیس، ارائه کردند.

در حالی که این تحقیق عمدتاً ریاضی است، اردکانی هیجان‌زده است تا ببیند آزمایش‌گران چگونه از این تکنیک در آزمایشگاه و در دنیای واقعی استفاده خواهند کرد. درصورتی به مثال تصفیه آب زیر زمینی خود نگاهی دوبار بیندازیم، محققان معمولاً از آنالیز ردیاب بر روی سیالات تزریق شده برای اندازه گیری میدان سرعت استفاده می کنند. اما اکنون با روش جدید، آنها همچنین می توانند میدان های تنش را شناسایی کنند، بنابراین می توانند انتقال آن مایع را با دقت بیشتری پیش بینی کنند.