Pesquisadores do Instituto Universitário de Sistemas Térmicos Industriais e da Chryso França descobriram que as tensões se concentram, na verdade, em um curto trecho do tubo, permitindo que as outras partes do escoamento permaneçam fluidas. Publicados na revista PNAS, esses trabalhos são de grande interesse para os muitos usos industriais dos fluídos espessantes.
Constituídos por partículas de aproximadamente dez micrômetros em suspensão, os fluídos espessantes fluem como líquidos viscosos convencionais sob baixas solicitações, mas se solidificam assim que são vigorosamente cisalhados. Esse comportamento é devido à repulsão entre as partículas, que deslizam sob baixa tensão e friccionam sob alta tensão. É por isso que a pessoa afunda em uma piscina de água misturada com Maïzena se entrar devagar, mas não afunda se correr suficientemente rápido.
Esses materiais, como os concretos de alto desempenho antes da cura, a massa de chocolate ou mesmo alguns magmas, conseguem, no entanto, circular em tubos apesar da pressão que, em tese, deveria solidificá-los. Embora o fluxo cesse de aumentar proporcionalmente à tensão quando esta ultrapassa o nível que deveria solidificar tudo, o escoamento persiste e sem flutuações no fluxo.
Pesquisadores do Instituto Universitário de Sistemas Térmicos Industriais (IUSTI, CNRS/Universidade Aix-Marselha) e da empresa Chryso França revelaram e explicaram o mecanismo desse escoamento tão peculiar: as tensões se concentram, na verdade, em um curto trecho do tubo, permitindo que o restante do escoamento permaneça fluido. Essa zona de aprisionamento, tão curta quanto o diâmetro do tubo, permite o escoamento passando enquanto sobe contra a corrente.
Como os fluídos espessantes são suspensões densas, eles não são transparentes. Os pesquisadores só puderam observar o escoamento a uma centena de micrômetros mais próximos à parede do tubo. Eles adicionaram rastreamentos fluorescentes que forneceram os gradientes de velocidade do escoamento, ao longo da parede e em direção ao centro do tubo.
Eles detectaram assim a zona de aprisionamento, chamada de solitão friccional porque os grãos friccionam ali e sobem no escoamento tal como uma onda isolada. O solitão se estende continuamente para montante ao mesmo tempo que se desintegra a jusante. Há apenas um solitão de cada vez no tubo e ele só aparece quando a pressão leva as tensões acima do limite de solidificação. Assim que o solitão atinge o topo do tubo, ele desaparece para se reformar imediatamente na base e retomar sua ascensão.
O solitão se forma na extremidade do tubo assim que a válvula é aberta. Ele sobe no escoamento, estendendo-se tão rapidamente em montante quanto se desintegra a jusante, sem nunca bloquear o escoamento.
© A. Bougouin
Medições de pressão realizadas ao longo do tubo confirmam que a perda de carga se concentra no trecho onde se encontra o solitão, permitindo que os outros trechos permaneçam fluidos. Esse comportamento foi verificado para várias suspensões, constituídas por grãos de composições, formas e tamanhos variados.
Esses trabalhos podem ajudar a estabelecer leis de fluxo para muitas aplicações industriais, como na construção civil ou na indústria alimentícia. Ainda resta compreender o que ocorre quando o escoamento também passa por cotovelos e reservatórios.
Referências:
A frictional soliton controls the resistance law of shear-thickening suspensions in pipes.
Alexis Bougouin, Bloen Metzger, Yoël Forterre, Pascal Boustingorry & Henri Lhuissier.
PNAS, 2024.
https://doi.org/10.1073/pnas.2321581121