A coalescência das gotas de um líquido desempenha um papel fundamental em muitos processos industriais e aplicações envolvendo emulsões ou espumas, reações químicas entre dois líquidos, ou ainda a queda de gotas na superfície de um reservatório. Mas o seu estudo experimental é difícil, devido às escalas de tempo e de espaço muito curtas do fenómeno na sua fase inicial. A simulação numérica, por outro lado, permite obter informações inacessíveis através de técnicas experimentais.
Sequências de imagens do início da coalescência de uma gota na superfície de um líquido, captadas por uma câmara ultra-rápida:
(a) para um fluido viscoelástico (uma solução aquosa de poliacrilamida)
(b) para um fluido newtoniano (água destilada)Nos tempos ultra-curtos (< 1 ms), a coalescência segue a mesma lei de escala independentemente da natureza do fluido.
© LRGP
Uma equipa do Laboratório de Reações e Engenharia de Processos (LRGP, CNRS/Universidade de Lorena) desenvolveu um modelo de simulação numérica, validado por comparação com resultados de experiências, que descreve com uma precisão sem precedentes os fenómenos que ocorrem quando uma gota entra em contacto com a superfície de um reservatório do mesmo líquido.
O estudo foi realizado com um líquido newtoniano (viscosidade constante) - água destilada -, e dois líquidos viscoelásticos (viscosidade variável) - soluções de polímeros em água. As simulações da coalescência de uma gota na superfície do líquido foram realizadas acoplando um modelo estatístico de física (método de Boltzmann em rede) com um modelo reológico dos fluidos viscoelásticos (modelo Oldroyd-B).
Para estudar experimentalmente a coalescência e validar o modelo de simulação, três técnicas foram implementadas. Uma medição de condutância elétrica, desenvolvida no laboratório, dá a evolução da zona de coalescência entre a gota e a superfície desde os primeiros microssegundos. Uma câmara ultra-rápida (100 000 imagens/s) permite visualizar o fenómeno. Por fim, com uma técnica de micro velocimetria por imagens de partículas (μ-PIV) desenvolvida no laboratório, acoplada à câmara ultra-rápida, os campos de velocidades dos fluidos durante a coalescência foram analisados.
Os resultados das simulações e das medições experimentais, obtidos com uma resolução espacial de 5,2 μm e uma resolução temporal de 0,8 μs, estão em bom acordo. Tanto para o fluido newtoniano como para os fluidos viscoelásticos, o estudo evidenciou que a largura de coalescência, durante os primeiros microssegundos do fenómeno, variava linearmente em função do tempo t, seguindo depois uma lei em t1/2.
Estes resultados constituem um avanço significativo a nível fundamental. A longo prazo, também deverão permitir a melhoria de processos industriais, seja para aumentar a estabilidade de uma emulsão evitando a coalescência, por exemplo na indústria de cosméticos, ou para intensificar a separação petróleo-água promovendo a coalescência, na indústria petrolífera. Dois domínios nos quais o LRGP já tem colaborações de investigação. Um novo estudo está em curso para estudar a coalescência envolvendo, desta vez, uma fase líquida oleosa.
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