La coalescencia de las gotas de un líquido juega un papel clave en numerosos procesos industriales y aplicaciones que involucran emulsiones o espumas, reacciones químicas entre dos líquidos, o la caída de gotas sobre la superficie de un depósito. Pero su estudio experimental es difícil, debido a las escalas de tiempo y espacio muy cortas del fenómeno en su fase inicial. La simulación numérica, por otro lado, permite obtener información inaccesible mediante técnicas experimentales.
Secuencias de imágenes del inicio de la coalescencia de una gota sobre la superficie de un líquido, captadas por una cámara ultrarrápida:
(a) para un fluido viscoelástico (una solución acuosa de poliacrilamida)
(b) para un fluido newtoniano (agua destilada)En tiempos ultracortos (< 1 ms), la coalescencia sigue la misma ley de escala independientemente de la naturaleza del fluido.
© LRGP
Un equipo del Laboratorio de Reacciones e Ingeniería de Procesos (LRGP, CNRS/Universidad de Lorena) ha desarrollado un modelo de simulación numérica, validado mediante comparación con resultados experimentales, que describe con una precisión sin precedentes los fenómenos que ocurren cuando una gota entra en contacto con la superficie de un depósito del mismo líquido.
El estudio se realizó con un líquido newtoniano (viscosidad constante) - agua destilada -, y dos líquidos viscoelásticos (viscosidad variable) - soluciones de polímeros en agua. Las simulaciones de la coalescencia de una gota sobre la superficie del líquido se realizaron acoplando un modelo estadístico de física (método de Boltzmann en red) con un modelo reológico de fluidos viscoelásticos (modelo Oldroyd-B).
Para estudiar experimentalmente la coalescencia y validar el modelo de simulación, se implementaron tres técnicas. Una medida de conductancia eléctrica, desarrollada en el laboratorio, proporciona la evolución de la zona de coalescencia entre la gota y la superficie desde los primeros microsegundos. Una cámara ultrarrápida (100 000 imágenes/s) permite visualizar el fenómeno. Finalmente, con una técnica de micro velocimetría por imágenes de partículas (μ-PIV) desarrollada en el laboratorio, acoplada a la cámara ultrarrápida, se analizaron los campos de velocidad de los fluidos durante la coalescencia.
Los resultados de las simulaciones y las medidas experimentales, obtenidos con una resolución espacial de 5,2 μm y una resolución temporal de 0,8 μs, están en buen acuerdo. Tanto para el fluido newtoniano como para los fluidos viscoelásticos, el estudio demostró que el ancho de coalescencia, durante los primeros microsegundos del fenómeno, variaba linealmente en función del tiempo t, y luego seguía una ley en t1/2.
Estos resultados constituyen un avance significativo a nivel fundamental. A largo plazo, también deberían permitir mejorar los procesos industriales, ya sea aumentando la estabilidad de una emulsión evitando la coalescencia, por ejemplo en la industria cosmética, o intensificando la separación petróleo-agua favoreciendo la coalescencia, en la industria petrolera. Dos áreas en las que el LRGP ya tiene colaboraciones de investigación. Un nuevo estudio está en curso para estudiar la coalescencia que involucra, esta vez, una fase líquida oleosa.
Artículo consultable en la base de archivos abiertos HAL.