Forskare vid Institutet för industrivetenskap, Tokyos universitet, använde en sofistikerad fysisk modell för att simulera beteendet hos vätskor som rör sig genom rör. Genom att inkludera möjligheten till skjuv-inducerad bubbelbildning, de finner det, i motsats till antagandena från många tidigare verk, vätskor kan uppleva betydande glidning när de kommer i kontakt med fasta gränser. Denna forskning kan hjälpa till att minska energiförlusterna vid pumpning av vätskor, vilket är ett stort problem i många industriella tillämpningar, såsom gas- och oljeleverantörer.

Vätskedynamik är ett av fysikens mest utmanande områden. Även med kraftfulla datorer och användningen av förenklade antaganden, exakta simuleringar av vätskeflöde kan vara notoriskt svåra att få fram. Forskare behöver ofta förutsäga vätskors beteende i verkliga tillämpningar, såsom olja som flödar genom en rörledning. För att göra problemet lättare, det har varit vanlig praxis att anta att vid gränsytan mellan vätske- och fasta gränsen - i detta fall, rörväggen — vätskan rinner utan att glida. Dock, bevisen för att stödja denna genväg har saknats. Nyare forskning har visat att glidningen kan inträffa under vissa omständigheter, men den fysiska mekanismen har förblivit mystisk.

Nu, för att mer noggrant förstå ursprunget till flödesglidning, forskare vid University of Tokyo skapade en avancerad matematisk modell som inkluderar möjligheten att löst gas förvandlas till bubblor på rörets inre yta.

"Det halkfria gränsvillkoret för vätskeflöde är ett av de mest grundläggande antagandena inom vätskedynamik, " förklarar första författaren Yuji Kurotani. "Men, det finns ingen rigorös fysisk grund för detta tillstånd, som ignorerar effekterna av gasbubblor."

Att göra detta, forskarna kombinerade Navier-Stokes ekvationer, vilka är de grundläggande lagarna som styr vätskeflödet, med Ginzburg-Landaus teori, som beskriver fasövergångar såsom övergången från en vätska till en gas. Simuleringarna visade att flödesglidning kan orsakas av små mikrobubblor som bildas på rörväggen. Bubblorna, som skapas av skjuvkrafterna i vätskan, undkommer ofta upptäckt i verkligheten eftersom de förblir mycket små.

"Vi fann att densitetsförändringarna som åtföljer viskositetsvariation kan destabilisera systemet mot bubbelbildning. Skjuvningsinducerad gasfasbildning ger en naturlig fysisk förklaring till flödesglidning, " säger seniorförfattaren Hajime Tanaka.

säger Kurotani, "Resultaten av vårt projekt kan hjälpa till att designa nya rör som transporterar trögflytande vätskor, som bränsle och smörjmedel, med mycket mindre energiförluster."

Verket publiceras i Vetenskapliga framsteg som "En ny fysisk mekanism för glidning av vätskeflödet på en fast yta."