Uma visão 3D do caos dentro de um metal derretido

Redação do Site Inovação Tecnológica - 14/03/2024

A seção através do cilindro experimental fornece uma visão 3D do fluxo turbulento em função da temperatura em um metal líquido.
[Imagem: B. Schröder/HZDR]

Imagem da turbulência

Pesquisadores alemães criaram um aparelho que está permitindo pela primeira vez observar a turbulência em ação no interior de metais líquidos opacos.

Tudo começou quando Thomas Wondrak e colegas do Centro Helmholtz Dresden-Rossendorf estavam tentando estudar metais líquidos, um tema não apenas de grande interesse industrial - pense em toda a metalurgia e siderurgia, por exemplo -, como também com implicações geofísicas e astrofísicas - pense no fluxo de magma no interior dos planetas, por exemplo.

No entanto, todos esses estudos têm grandes deficiências porque os metais em estado líquidos- ou liquefeitos, ou derretidos - não são transparentes, o que significa que não é possível visualizar o fluxo de calor e a turbulência em todo o seu volume.

Hoje, os pesquisadores investigam as propriedades dos fluxos turbulentos colocando o fluido em análise dentro de um recipiente cuja base é aquecida e cuja tampa é resfriada ao mesmo tempo. "Se a diferença de temperatura no fluido exceder um certo limite, o transporte de calor aumenta drasticamente," explicou Wondrak. Isso acontece porque se forma um chamado fluxo convectivo, que transporta efetivamente o calor. O líquido na parte inferior se expande, torna-se mais leve e sobe, enquanto as camadas mais frias na parte superior afundam devido à sua maior densidade.

"Inicialmente, forma-se uma circulação regular, mas em diferenças de temperatura maiores o fluxo torna-se cada vez mais turbulento. Visualizar corretamente esse processo em todas as três dimensões é um desafio," detalhou Wondrak, descrevendo o desafio que ele decidiu enfrentar.

Vendo o interior do metal fundido

Para visualizar o que está ocorrendo no interior do metal fundido, a equipe alemã usou o princípio da indução de movimento: Se um campo magnético estático for aplicado, uma corrente elétrica é gerada no fluido devido ao movimento do próprio líquido.

Essas correntes parasitas causam uma mudança no campo magnético original, que pode ser medido externamente. Desta forma, a estrutura do fluxo é refletida na distribuição do campo magnético e pode ser extraída dos dados de medição utilizando um método matemático adequado, por meio de um programa de computador. A equipe chama a técnica de "tomografia indutiva de fluxo sem contato".

O material escolhido para os testes da nova técnica foi o tradicional metal líquido, uma liga de gálio-índio-estanho que derrete a cerca de 10 ºC. O componente central do experimento é um cilindro de 64 centímetros de altura contendo cerca de 50 litros (aproximadamente 350 quilogramas) de metal líquido, equipado com um sofisticado arranjo de 68 sensores para registrar a distribuição de temperatura e 42 sensores de campo magnético altamente sensíveis.

Os dados obtidos experimentalmente são únicos, uma vez que simulações numéricas para os mesmos parâmetros de fluxo não são viáveis em um período de tempo razoável, mesmo na era atual da computação de alto desempenho.

Nem em simulações esses fluxos turbulentos haviam sido vistos porque não existem computadores capazes de prevê-los de modo realista.
[Imagem: Thomas Wondrak Open the et al. - 10.1017/jfm.2023.794]

Resultados e melhorias

Os primeiros experimentos revelaram estruturas espaciais complexas. Por exemplo, os cientistas conseguiram identificar padrões recorrentes de um ou mais vórtices giratórios situados uns sobre os outros. Isto traz pelo menos um pouco de ordem ao caos turbulento e, entre outras coisas, ajuda a compreender melhor a relação entre fluxo e transporte de calor.

O conhecimento obtido no experimento de laboratório também pode ser escalonado para dimensões muito maiores, para estudar processos atuando em geofísica e astrofísica, como os fluxos no interior dos planetas e estrelas - para isso basta aplicar parâmetros adimensionais que têm origem na teoria da similaridade.

Os pesquisadores já têm planos para melhorar ainda mais a qualidade e a resolução das suas imagens. A adição de um campo magnético de excitação adicional e o uso de novos tipos de sensores de campo magnético prometem um aumento na precisão da medição. Com isto, a equipe espera obter em breve insights ainda mais profundos sobre os fluxos turbulentos de metais líquidos ou liquefeitos.

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