En unik typ av helium som kan flöda utan att påverkas av friktion har hjälpt ett KAUST-team att bättre förstå omvandlingen av snabbt rörliga vätskor till små droppar.

vardagliga händelser, som att duscha eller slå på köksblandaren, involvera ett spännande fysiskt fenomen som kallas jet breakup. När en vätska kommer ut från ett munstycke och stöter på något kan den inte omedelbart blandas in i - en gas, till exempel — den bildar en cylinder. Snabbt, små ytstörningar och olika krafter gör att vätskeröret bryts isär till droppar. Hela cylindern klämmer antingen till droppar en i taget vid spetsen, tar en vågig eller korkskruvliknande struktur, eller finfördelas till en fin spray.

Sedan slutet av 1800-talet, forskare har försökt förstå och förutsäga beteendet hos jetuppbrott med hjälp av klassiska teorier om viskositet, aerodynamik och ytspänning. Dock, många tidigare studier presenterar motstridiga bevis om var man ska dra gränsen mellan olika upplösningslägen – ett problem som kan påverka tillverkare som vill optimera spraytekniker.

"Ingenjörer är intresserade av att veta storleken och riktningen på de bildade dropparna och hur långt från munstycket strålen förblir intakt, " noterar Nathan Speirs, en forskare i Sigurdur Thoroddsens labb vid KAUST. "Det finns så mycket variation i hur vätskestrålar bryts upp."

För att uppdatera det här fältet för 2000-talet, Thoroddsen -gruppen samarbetade med forskare vid University of California, Irvine, att bygga en enhet som kan nå temperaturer nära absolut noll med fönster för visning med höghastighetskameror. På dessa kyliga djup, flytande helium kan anta en rad olika beteenden, inklusive som en friktionsfri supervätska.

Den experimentella uppställningen är svår att arbeta med eftersom "när flytande helium blir superfluid, frånvaron av viskositet gör att den kan fly från de minsta ofullkomligheterna, som vi kallar superläckor, säger Kenneth Langley, ytterligare en medlem i Thoroddsens team. "Vi måste vara mycket försiktiga när vi stänger cellen, och när den väl är stängd, det finns inget sätt att justera vad som finns inuti."

De detaljerade bilderna som producerades med den nya lågtemperaturenheten gjorde det möjligt för KAUST-teamet att exakt kvantifiera jetupplösningsregimer och identifiera fysiska faktorer som förbisetts av tidigare studier.

"Våra resultat visar att gas- och vätskeflödena är lika viktiga i gränsytan, en idé försummad av de flesta andra studier, " säger Speirs. "De oregelbundna formerna på de bildade dropparna är också ganska intressanta, och vi hoppas kunna analysera dem mer i detalj, ", tillägger Langley.