Investigando la Mezcla Turbulenta con Intercambio de Solventes

La mezcla turbulenta es un tema clave en la dinámica de fluidos. Juega un papel importante en muchas situaciones cotidianas, desde cómo las líquidos se mezclan en nuestras bebidas hasta cómo reaccionan los químicos en procesos industriales. En este estudio, nos centramos en un proceso de mezcla específico conocido como intercambio de disolventes. Esto ocurre cuando un buen disolvente se mezcla con un disolvente pobre, lo que lleva a la formación de gotas. Un ejemplo interesante de esto se llama el efecto ouzo, que sucede cuando se mezclan sustancias como el etanol y el aceite, provocando la formación de gotitas de aceite en el líquido.

En nuestros experimentos, observamos qué pasa cuando una mezcla de etanol y aceite de anís se inyecta en agua tranquila. Esto nos permite estudiar cómo se forman y cambian las gotas a medida que la mezcla se mueve a través del agua. Queremos entender cómo funciona el proceso de mezcla, especialmente cerca de la frontera donde el agua turbulenta y la calma se encuentran, conocida como la interfaz turbulenta/no turbulenta (TNTI).

#Configuración Experimental

Realizamos nuestros experimentos en un gran tanque de vidrio donde pudimos controlar cuidadosamente las condiciones. El tanque estaba diseñado para mantener el flujo de agua casi plano, lo que llamamos una configuración cuasi-2D. Este diseño nos ayuda a obtener resultados claros sin interferencias de la tercera dimensión.

Para mezclar nuestros fluidos, utilizamos una bomba de jeringa para inyectar una mezcla de etanol y aceite de anís en el agua. El aceite utilizado para este estudio es trans-anetol, que le da a la mezcla un sabor distintivo. Variamos la Tasa de flujo de la mezcla inyectada para observar diferentes comportamientos en cómo se mezclaban los fluidos. La temperatura del agua y de la mezcla se mantuvo constante para asegurar que cualquier cambio observado se debía a la mezcla y no a efectos de temperatura.

#Medición de Concentración

Para averiguar cuánta aceite y etanol había presente en el agua en varios puntos, utilizamos una técnica especial llamada atenuación de luz. En términos simples, esto significa iluminar el agua y medir cuánto de esa luz es bloqueada por los líquidos. Cuanta más luz se bloquea, más concentrada está la mezcla en ese punto.

Usamos cámaras de alta velocidad para capturar las imágenes del fluido y las analizamos para encontrar los niveles de concentración de los componentes en la mezcla. Al repetir los experimentos varias veces, nos aseguramos de que nuestras mediciones fueran confiables.

#Observaciones Cerca de la TNTI

Mientras estudiamos el proceso de mezcla, prestamos especial atención al área cerca de la TNTI. Este es el lugar donde el fluido turbulento comienza a mezclarse con el agua tranquila, y es un punto crítico para entender cómo se forman las gotas. Notamos que las concentraciones de gotas de aceite empezaron a aumentar cerca de esta interfaz, lo que sugiere que el proceso de mezcla estaba ocurriendo activamente.

La presencia de gotas de aceite no fue constante. En cambio, descubrimos que su concentración cambiaba a medida que la mezcla se movía río abajo. Al principio, vimos una cantidad significativa de Nucleación, o formación de gotas, cerca de la TNTI, y luego este proceso continuó a medida que la mezcla viajaba más lejos en el agua. Esto significa que las gotas continuaron formándose y mezclándose incluso mientras se alejaban de la TNTI.

#Flujo Continuo

Uno de los resultados interesantes que encontramos fue que la nucleación de gotas de aceite jugó un papel crucial en mantener los niveles de concentración a medida que la mezcla se movía río abajo. El proceso de nucleación no solo ayudó a mantener la concentración, sino que también aumentó las fluctuaciones en las mediciones. Estas fluctuaciones sugieren que hay una interacción dinámica ocurriendo a medida que la mezcla fluye, llevando a cambios en la concentración a lo largo del tiempo y el espacio.

También notamos que las funciones de densidad de probabilidad (PDFs) de las concentraciones mostraron formas distintas en los datos. Esto indica que hay dos estados principales de concentración cerca de la TNTI: uno con concentraciones más bajas de agua no mezclada y otro con concentraciones más altas donde se han formado las gotas. Esta distribución bimodal apoya aún más la idea de que la mezcla es compleja, con diferentes regiones exhibiendo diferentes comportamientos.

#Análisis Cuantitativo

Más allá de solo observar los cambios de manera cualitativa, también queríamos cuantificar cuánta nucleación estaba ocurriendo cerca de la TNTI. Al vincular la concentración de gotas de aceite con la concentración de etanol en la mezcla, creamos un modelo para estimar la tasa de nucleación.

Usando un enfoque de volumen de control, pudimos analizar cómo las concentraciones se transportaban a través de la TNTI. Descubrimos que la tasa de nucleación era más alta cerca del comienzo del chorro y disminuía a medida que el fluido se movía río abajo. Esto muestra que el proceso de formación de gotas es más intenso al comienzo del flujo y disminuye más adelante.

#Entendiendo el Proceso de Mezcla

A lo largo de nuestros experimentos, notamos que el proceso de mezcla no solo ocurría en la TNTI. En cambio, los eventos de nucleación penetraban profundamente en la región turbulenta también. Esto significa que incluso mientras la mezcla se alejaba de la TNTI, las interacciones entre los componentes continuaban jugando un papel en qué tan bien se mezclaban.

Observamos que las fluctuaciones de concentración eran más altas cerca de la línea central del flujo del chorro, lo que sugiere que los procesos de mezcla son dinámicos y cambian con el tiempo. Esto nos da ideas sobre cómo diferentes partes del fluido interactúan entre sí, lo cual puede ser muy importante en aplicaciones donde se requiere eficiencia en la mezcla.

#Conclusiones

En resumen, nuestros experimentos demostraron la naturaleza compleja del intercambio de disolventes en flujos turbulentos. Logramos una comprensión más clara de cómo se forman las gotas durante la mezcla de etanol y aceite de anís en agua, particularmente cerca de la TNTI. Nuestro estudio refuerza la idea de que incluso en condiciones turbulentas, las gotas pueden continuar formándose y cambiando más abajo, lo que tiene implicaciones para varios procesos industriales y naturales.

Al medir los campos de concentración y estimar las tasas de nucleación, hemos dado un paso significativo hacia entender los mecanismos detrás de la mezcla turbulenta. El trabajo futuro se centrará en perfeccionar nuestras técnicas de medición y modelos, con el objetivo de desentrañar aún más las complejidades de estos procesos dinámicos.