control de flujo de fluidos / Sudo Null IT News

Una de las principales tareas de cualquier ciencia no es sólo obtener conocimiento sobre un proceso/fenómeno particular, sino también controlarlo, lo que puede ser extremadamente útil para el desarrollo de tecnologías utilizadas en diversos sectores de la vida humana. La mayoría de las veces, para controlar el proceso, necesitamos crear sistemas que lo manipulen y modulen. En ocasiones estos sistemas son bastante complejos, aunque el resultado de su trabajo puede parecer bastante sencillo. Por ejemplo, obligar a un líquido a fluir exclusivamente en una dirección. Los sistemas utilizan válvulas para hacer esto, pero en el mundo de la vida silvestre existe una alternativa mucho más efectiva y sencilla: los intestinos de tiburón. Científicos de la Universidad de Washington (Seattle, EE. UU.) han desarrollado un sistema que imita los intestinos de los tiburones y que obliga al líquido de su interior a moverse en una dirección especificada con precisión. ¿Cuál es el secreto de las entrañas de los tiburones, cómo las recrearon los científicos y dónde se puede utilizar su creación en la práctica? Encontraremos respuestas a estas preguntas en el informe de los científicos.

Base del estudio

La gente asocia a los tiburones con mal genio, hambre insaciable y dientes afilados. Sólo esto último es cierto, y aun así no en todas las especies. Sin ser ictiólogos, muchos de nosotros podemos nombrar una o dos características distintivas de un tiburón, desde la aleta en su espalda hasta las múltiples filas de dientes dentados (una vez más, estas características no son universales en todas las especies). Pero pocas personas saben que los intestinos de tiburones y rayas no son menos únicos, tanto visual como funcionalmente.

Tiburón espinoso del Pacífico (Squalus suckleyi) y tomografía computarizada de su intestino espiral.

Como se ve en la tomografía computarizada anterior, la estructura del intestino del tiburón consiste en tubos con espirales internas, que tradicionalmente se cree que brindan el beneficio de aumentar el área de superficie, mejorando así la absorción de nutrientes. Recientemente, se propuso una función alternativa tras el descubrimiento del flujo asimétrico en el intestino del tiburón. Los investigadores cortaron los intestinos de diferentes especies de tiburones y midieron el caudal de fluidos viscosos que se movían de adelante hacia atrás, bajaban por el tracto gastrointestinal y regresaban. El flujo hacia abajo por el tracto fue más rápido que el flujo hacia arriba, lo que significa que deberían haberse requerido menos movimientos peristálticos para empujar los alimentos a través de los intestinos, aumentando la eficiencia metabólica. Este resultado es notable porque el flujo asimétrico se logró sin el uso de valvas como las que se encuentran en las válvulas del corazón y el estómago humanos.

Una historia detallada sobre la válvula de Nikola Tesla, inventada por él en 1916.

Cuando un canal de fluido impone un flujo asimétrico, se comporta como un diodo eléctrico. Los diodos líquidos más famosos, las válvulas Tesla, se inventaron hace más de un siglo. Estos elementos cuasi bidimensionales generan vórtices y una alta resistencia hidrodinámica en una sola dirección del flujo. Se han descubierto estructuras que se asemejan a las válvulas de Tesla en los pulmones de las aves y se han incorporado a circuitos de microfluidos. El descubrimiento del flujo asimétrico en el intestino del tiburón es apasionante porque estas estructuras helicoidales son potencialmente escalables a grandes aplicaciones 3D.

Sin embargo, no está claro cómo las tripas en espiral de un tiburón podrían funcionar como válvulas Tesla. El problema es el número de Reynolds, la relación entre las fuerzas de inercia y viscosas en los fluidos. El número de Reynolds se define como Re = uL/ν, donde u, L y ν son la velocidad del flujo, la escala de longitud característica y la viscosidad cinemática del fluido, respectivamente. Una desventaja de las válvulas Tesla es que la asimetría del flujo sólo es alta con números de Reynolds altos (11-14), lo que requiere caudales elevados, escalas de longitud grandes y/o viscosidad del fluido baja. Por el contrario, la comida que fluye a través del intestino de un tiburón es viscosa y fluye a baja velocidad, lo que resulta en Re ~10^–4 – 10^–1. En este régimen de dinámica de fluidos con bajo número de Reynolds, el flujo es reversible y las válvulas Tesla simples son ineficaces. Matemáticamente, el flujo asimétrico a través de tuberías rígidas con números de Reynolds bajos debería ser imposible porque viola el principio de reciprocidad. Sin embargo, los intestinos del tiburón no son duros; son tejidos blandos con una rigidez mecánica del orden de kilopascales.

Imagen #1

En el artículo que estamos viendo hoy, los científicos sugirieron que la deformación de las estructuras intestinales inducida por el flujo mejora su rendimiento como válvulas Tesla, permitiéndoles operar de manera efectiva incluso con números de Reynolds bajos. En otras palabras, una válvula Tesla deformable, ya sea compuesta de tejido biológico o materiales elastoméricos, puede generar una alta asimetría de flujo que no desaparece en el límite bajo del número de Reynolds. Para probar el efecto de la deformabilidad en la asimetría del flujo, los científicos imprimieron en 3D tubos en espiral biomiméticos a partir de materiales poliméricos tanto blandos como duros. Utilizando estructuras de prueba bien definidas, los científicos midieron los efectos del paso de la hélice interna, el radio del orificio, el ángulo de paso y la longitud de la tubería sobre la asimetría del flujo (diagramas anteriores). Luego se comparó la asimetría del flujo en los diseños biomiméticos con réplicas directas del intestino de tiburón.

Resultados de la investigación

Los científicos señalan que sus experimentos tienen como objetivo encontrar respuestas a tres preguntas principales:

¿Son los tubos con espirales internas buenos candidatos para las válvulas Tesla?
Si es así, ¿qué características de diseño maximizan la asimetría del flujo?
¿Puede la deformación de estructuras inducida por el flujo mejorar su asimetría de flujo?

Para conseguirlo, se diseñó una estructura inspirada en los intestinos de un tiburón: un tubo exterior con una fuerte pared cilíndrica (2 mm de espesor) y una fina lámina interior en espiral (0,5 mm de espesor) que tiene más probabilidades de doblarse.

Los tubos en espiral se imprimieron a partir de dos materiales diferentes: un plástico rígido termoestable que minimiza la deformación (1C), y un elastómero suave que maximiza la deformabilidad. Aunque el elastómero es uno de los productos más blandos disponibles para la impresión 3D (con una rigidez de sólo 1 MPa), es mucho más rígido que la tripa de tiburón (con una rigidez de 1 kPa). Por lo tanto, la deformación de espirales elastoméricas requiere caudales (Q) más altos que la deformación intestinal. El estudio utilizó una velocidad de flujo de Q ≈ 100 cm.³/s, que corresponde al número de Reynolds Re ~ 10⁴. En este régimen, el flujo puede ser turbulento, por lo que pueden ocurrir asimetrías de flujo tanto en tuberías rígidas como deformables. En consecuencia, se utilizaron tubos rígidos para probar el efecto de la geometría de la tubería, separándola de la deformación mecánica. Luego se utilizaron tubos blandos para medir en qué medida la deformabilidad aumentaba la asimetría en relación con un tubo rígido del mismo diseño.

Los tubos en espiral del diagrama anterior se caracterizan por unos pocos parámetros geométricos. Estos incluyen paso (p, elevación vertical con cada revolución), radio del orificio interno (r_agujero), ángulo de inclinación (α; que rompe la simetría arriba-abajo), número de vueltas en espiral (n_vueltas) y radio de la tubería (R, desde el centro hasta el borde exterior). El radio de la tubería se fijó en 10 mm, mientras que se variaron otros parámetros para crear una amplia variedad de estructuras (1B). Para determinar cómo cada parámetro afecta la asimetría del flujo, el primer paso fue establecer un método de medición.

El flujo de fluido asimétrico se caracteriza por la “diodicidad” (D_i):

D_i (Q) = ∆P_↑ (Q)/∆P_↓ (Q),

donde ∆P_↓ y ∆P_↑ son las caídas de presión medidas a través del dispositivo en las direcciones de avance y retroceso, respectivamente. Como es más difícil empujar fluido a través de una válvula Tesla en la dirección opuesta, D_i ≥ 1, donde D_i = 1 indica que no hay asimetría. En estos experimentos, el dispositivo es una tubería en espiral, por lo que se midió el caudal, no las caídas de presión (1D). El cono de la espiral está orientado hacia abajo (hacia adelante) o hacia arriba (hacia atrás); 1D). Los científicos convirtieron el flujo en la tubería (Q) en longitudes equivalentes de tubos huecos (l), que corresponden a diferencias de presión (P; diagrama a continuación).

Imagen #2

Los casos límite proporcionan información cualitativa sobre cómo debería variar la diodeidad con cuatro parámetros experimentales para tubos en espiral (p, r_agujeroa y n_vueltas). Estos límites se muestran en los recuadros de la imagen No. 3:

Paso (p): Cuando p → 0, el tubo en espiral se parece a un tubo cilíndrico con paredes gruesas, por lo que D_i → 1. En el otro polo, cuando p → ∞, su influencia sobre el flujo disminuye, por lo que D_i → 1;
Radio del agujero (r_agujero): En r_agujero → 0 tubo en espiral se parece a un tubo en espiral hueco para el cual no se espera asimetría de flujo, por lo que D_i → 1. En el otro polo, cuando r_agujero se acerca al radio de la tubería, la tubería se asemeja a una tubería cilíndrica. Por lo tanto, cuando r_agujero → 10 cm, profundidad_i → 1;
Esquina (α): Cuando α → 0, el tubo espiral se vuelve simétrico. Por lo tanto, como tan(α) → 0, D_i → 1. Cuando el ángulo se aproxima a 90°, el tubo en espiral se asemeja a un tubo cilíndrico. Por lo tanto, como tan(α) → ∞, D_i → 1;
numero de vueltas (norte_vueltas): Cuando n_vueltas → 0 la hélice interior desaparece, dejando un tubo cilíndrico, por lo que D_i → 1. A medida que n aumenta_vueltas Se espera que la asimetría aumente, pero se desconoce su comportamiento detallado. Para algunos diseños de válvulas Tesla, la diodicidad se acerca a una asíntota a medida que aumenta el número de elementos idénticos en la serie.

Estos casos límite implican que la asimetría del flujo es mayor en valores intermedios del paso, r

_agujero

y ángulo y alcanza un valor asintótico a medida que aumenta el número de vueltas. Dado que el sistema en estudio opera lejos del régimen de flujo laminar, los valores exactos de diodicidad son difíciles de predecir. Por lo tanto, los científicos fueron más allá de las limitaciones cualitativas para cuantificar diodos en tubos rígidos en espiral.

Imagen #3

Según los científicos, el resultado más sorprendente de estos tubos rígidos en espiral es que casi todos los valores de los parámetros probados producen grandes asimetrías en el flujo (gráficos arriba). Valores de diodo medidos (en muchos casos 2 ≤ D_i ≤ 3) son grandes en comparación con los diodos medidos en las válvulas Tesla tradicionales. La literatura contiene sólo unos pocos diodos de válvula Tesla medidos experimentalmente con valores D registrados._i ~ 2. Por el contrario, ha habido muchos análisis numéricos de diseños de válvulas Tesla, y casi todos han arrojado 1 < D_i < 2. En un caso extremo, la optimización numérica de la forma que involucró un diseño intensivo y una exploración de parámetros reveló un diseño de válvula única altamente eficiente con D_i ~ 2 a 4.

En otras palabras, los tubos espirales biomiméticos (incluso las estructuras rígidas sin deformación inducida por el flujo) pueden funcionar mejor que la mayoría de las válvulas Tesla, lo que es comparable a diseños altamente optimizados. Los datos anteriores en los cuatro gráficos representan perturbaciones del conjunto inicial de parámetros p = 15 mm, r_agujero = 3 mm, tan(α) = 1,5 y n_vueltas = 7,5. Cuando el paso yr cambiaron sucesivamente_agujeroaparecieron máximos claros en p = 7,5 mm y en r_agujero = 4-5 mm. A medida que aumenta el número de vueltas, la diodicidad parece estabilizarse, lo que es consistente con la diodicidad asintótica en las válvulas de microfluidos.

Para comprender cómo los parámetros de diseño afectan al diodo en el rango de valores de los gráficos anteriores, los científicos desarrollaron un modelo fenomenológico. Primero, se redujo la dimensión del problema definiendo la longitud de la espiral h = √ p² +p²²_agujerodonde la diodeidad alcanza su pico en valores intermedios de la variable adimensional h/R. Luego se probó un modelo en el que la longitud efectiva del tubo espiral (l) depende por separado de tres parámetros: h, α y n._vueltasdonde l = H(h) ∙ A(α) ∙ N(n_vueltas). Se encontró buena concordancia entre este modelo y los datos en la mayoría de los rangos de parámetros en los experimentos realizados.

Imagen #4

La deformación de los tubos en espiral impresos con elastómeros blandos aumenta la asimetría del flujo en relación con casi todos los tubos rígidos del mismo diseño (gráficos arriba). En ausencia de un modelo teórico, los científicos ajustaron las diodicidades de los gráficos anteriores a gaussianos distorsionados. Los picos de estas gaussianas corresponden a diodos de 10 a 15, una asimetría de flujo aproximadamente siete veces mayor que en los tubos espirales rígidos o las válvulas tradicionales de Tesla (4A Y 4E).

Los tubos espirales deformables no generan un valor de diodo fijo, a diferencia de sus equivalentes rígidos. En lugar de D_i es función de la velocidad del flujo (Q). Este contraste entre tuberías rígidas y deformables es análogo a la observación de que una resistencia eléctrica tiene una resistencia fija, mientras que un diodo no. Los caudales correspondientes a los diodos más altos aumentan con el número de vueltas del tubo espiral (4F). La lógica de esto es bastante simple: para deformar un mayor número de palas espirales, se requieren mayores caudales. Por el contrario, el grado en que los tubos deformables mejoran la diodeidad de los tubos relativamente rígidos es independiente del número de vueltas. Una observación aparte es que los diodos más altos van acompañados de una mayor dispersión en los datos, independientemente de si los tubos espirales tienen los mismos parámetros (4C) o un número diferente de vueltas en espiral (4D).

El aumento de diodeidad en tuberías deformables en relación con las tuberías rígidas puede surgir de cambios en la velocidad del flujo para espirales en dirección ascendente (Q ↑), espirales en dirección descendente (Q↓) o ambas. Los científicos descubrieron que casi toda la ganancia surge de cambios en Q ↑, lo que resulta en valores altos de la longitud efectiva l ↑, mientras que l↓ es aproximadamente constante (4B). Este gran cambio en Q ↑ implica que las láminas internas de los tubos espirales se deforman más cuando la espiral se orienta hacia arriba. Por el contrario, si se produce alguna deformación cuando los tubos en espiral están orientados hacia abajo, parece facilitar ligeramente el flujo, lo que da como resultado valores de l↓ más bajos que en los tubos rígidos (4B).

Para comprobar que la deformación de la lámina helicoidal interior da como resultado una mayor diodeidad, los científicos simularon la deformación de una hélice de una sola vuelta en escenarios analógicos de carga uniforme y gravedad. Se encontró que la mayor parte de la deformación se localiza en los bordes superior e inferior de la espiral (en lugar de cambiar uniformemente un parámetro como el ángulo). Luego, las configuraciones deformadas se crearon utilizando una impresora 3D en materiales rígidos con la deformación fija. Los científicos midieron el flujo a través de las estructuras rígidas resultantes. Al igual que en las tuberías deformables, las tuberías rígidas con deformaciones fijas producen grandes longitudes efectivas cuando la hélice está orientada hacia arriba, mientras que las deformaciones producen un pequeño cambio en la longitud efectiva cuando la hélice está orientada hacia abajo. Como resultado, la diodeidad de un tubo en espiral de una sola vuelta con deformaciones fijas es casi tres veces mayor que la de un tubo sin deformar.

El tiburón perro negro (Centroscyllium nigrum) vive en el Océano Pacífico oriental a profundidades que oscilan entre 269 y 1143 m.

Los tubos en espiral que se muestran en la imagen n.° 1 se inspiraron en las estructuras más complejas de los intestinos de los tiburones y las rayas. Estas estructuras varían de una especie a otra. Los científicos han creado modelos 3D del intestino espiral del tiburón perro (Centroscyllium negro) basado en tomografías digitales. Se imprimieron en 3D versiones rígidas del modelo en tres longitudes diferentes: el modelo completo, los dos tercios superiores y el tercio superior. Las tres versiones generaron asimetrías de flujo que oscilaban entre 1,15 y 1,4, lo que es comparable a las válvulas Tesla tradicionales. Por supuesto, los tiburones no son duros. La ecografía in vivo revela torsiones, ondas de contracción y ondulaciones en los intestinos de los tiburones. Una comprensión más completa de las asimetrías de flujo en estas estructuras requerirá materiales ultrablandos acoplados a movimientos biomiméticos.

Para una visión más detallada de los matices del estudio, recomiendo echar un vistazo a informe de los científicos Y materiales adicionales a él.

Epílogo

En el trabajo que revisamos hoy, los científicos decidieron estudiar los intestinos en forma de espiral de los tiburones y compararlos con las válvulas de Tesla. En el estudio, los científicos intentaron responder una serie de preguntas: ¿actuarían los tubos en espiral como válvulas de Tesla? ¿Qué parámetros podrían aumentar la asimetría del flujo? ¿Se vería amplificada por las deformaciones de la estructura espiral interna inducidas por el flujo?

Se descubrió que los tubos espirales rígidos imponen una gran asimetría de flujo, superior a la de la mayoría de las válvulas Tesla tradicionales. Los científicos señalan que no conocen ninguna otra estructura medida experimentalmente que alcance una asimetría de flujo tan alta en ausencia de partes móviles. Es probable que la optimización de los parámetros de diseño de las tuberías impulse la asimetría del flujo a valores aún más altos. Una ventaja adicional es que los tubos son tridimensionales, por lo que tienen el potencial de acomodar mayores volúmenes de fluido que las válvulas Tesla tradicionales cuasi bidimensionales, y podrían usarse en aplicaciones comerciales más grandes.

Cuando los científicos replicaron tubos en espiral en materiales deformables, encontraron asimetrías de flujo muy grandes, aproximadamente siete veces mayores que en los tubos rígidos o las válvulas Tesla. Normalmente, las interacciones entre estructuras elásticas y fluidos se consideran en términos de cómo los cambios en la forma de la estructura afectan el flujo en el fluido circundante, lo que resulta en movilidad. Otro beneficio común es considerar cómo el flujo hidráulico provoca grandes cambios en la forma de la estructura. estructura, como en los robots blandos. En este trabajo se expresó una idea diferente: el flujo de un líquido depende de la deformación que impone a la estructura elástica.

Durante los experimentos, los científicos utilizaron uno de los elastómeros más blandos disponibles comercialmente para la impresión 3D. Dado que el campo de la impresión 3D está evolucionando rápidamente, es posible que pronto estén ampliamente disponibles materiales más blandos, como los hidrogeles. Sin embargo, un desafío constante es encontrar materiales muy blandos que puedan soportar altas deformaciones. A medida que se desarrollan e integran materiales elastoméricos más blandos en diseños de tubos en espiral, los científicos creen que se producirán asimetrías de flujo con números de Reynolds más bajos.

Los autores del estudio creen que su trabajo para lograr el máximo control sobre los flujos de fluidos será extremadamente útil en muchas industrias, desde la medicina hasta la robótica blanda. Sin embargo, el interior es mucho más suave que incluso los materiales sintéticos más blandos disponibles en la actualidad. Por tanto, hay margen de mejora en esta tecnología.

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