Simulación de una inestabilidad de Rayleigh-Taylor (el fluido más denso está en azul) evolucionando con algunas inestabilidades de Kelvin-Helmholtz que se forman a medida que los fluidos se mueven entre sí (crédito de la imagen: inestabilidad de Rayleigh-Taylor ).
¡Mezclar, o no mezclar, esa es la pregunta!
Primero definamos la inestabilidad como cualquier situación en la que alguna característica del flujo crecerá sin límite. Esta característica puede ser una ola, un vórtice, un penacho o algo similar. Matemáticamente, esto a menudo significa que un término exponencial ha pasado de decaimiento exponencial (exponente negativo) u oscilaciones (exponente imaginario) a crecimiento exponencial (exponente positivo) y un valor propio (y, por lo tanto, el determinante) de la matriz jacobiana (matriz jacobiana y determinante) ha cambiado de negativo o imaginario a positivo. La capacidad de la solución para volverse inestable es una consecuencia de la no linealidad de las ecuaciones de Navier-Stokes.
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Las inestabilidades son muy importantes en cualquier proceso de mezcla que tenga lugar en un régimen de flujo laminar (la turbulencia es una especie de inestabilidad, pero generalmente no se agrupa en las inestabilidades hidrodinámicas clásicas). Sin una inestabilidad, las líneas de corriente, las líneas de rayas y las líneas de ruta son paralelas y cualquier transporte de masa, momento o energía ocurre solo por difusión en la dirección perpendicular a las líneas de corriente (la difusión del momento es básicamente arrastre viscoso).
Entonces, la pregunta que desea hacerse es si desea que sus fluidos se mezclen o no.
Crédito de imagen: Technical Coating International> Capacidades
En cualquier proceso de diseño, generalmente NO desea que se produzca la mezcla porque desea que su patrón sea lo más preciso posible. Sangrar o mezclar disminuirá la calidad de lo que sea que esté tratando de modelar en su sustrato.
Crecimiento de la inestabilidad de Rayleigh-Taylor durante las reacciones de fusión inercialmente confinadas (Crédito de la imagen: fusión por confinamiento inercial ).
Otro lugar en el que no desea inestabilidades es cualquier intento de contener una reacción de fusión. Por naturaleza del proceso de fusión, debe comprimir el gas a presiones muy altas y, a menudo, este gas intentará escapar a través de la formación de inestabilidades de Rayleigh-Taylor. Este es un desafío continuo para cualquier esfuerzo por aprovechar la fusión como fuente de energía.
Crédito de la imagen: inestabilidad Rayleigh-Taylor
Paralelamente a gran parte de la investigación sobre fusión, también se realizan esfuerzos para comprender la física detrás de las supernovas que también exhiben estas inestabilidades. Y, por supuesto, hay algunas aplicaciones relacionadas con la defensa * ehem * más para comprender qué sucede con los materiales bajo temperaturas y presiones extremas que tiene mucha sinergia con la comprensión de las supernovas.
Las inestabilidades de Kelvin-Helmholtz también pueden producir fenómenos atmosféricos interesantes (Crédito de la imagen: inestabilidad de Kelvin-Helmholtz )
La estructura y el inicio de estas inestabilidades también pueden influir en los flujos de muchas maneras diferentes. El ejemplo que doy aquí es en la ciencia atmosférica y la predicción del clima, pero hay muchas otras aplicaciones en las que comprender la estructura del flujo es muy importante y la estructura del flujo está dominada por una inestabilidad o se describe por su inicio.
Estas son solo algunas de las aplicaciones a las que he estado expuesto directamente en mi trabajo o en el trabajo de las personas que me rodean, pero sé que hay muchas más aplicaciones para el estudio de estas inestabilidades.
