El primer modelo que predice con exactitud el comportamiento del flujo de las películas finas
El flujo de las películas finas se refiere al comportamiento de una capa fina de fluido que se extiende, recubre o fluye sobre una superficie sólida. Se observa en diversas aplicaciones, desde biomédicas hasta automovilísticas. Comprender de forma experimental cómo se desarrolla el flujo de una película fina lleva mucho tiempo y es caro, por lo que en su lugar se recurre a la modelización computacional. Sin embargo, la complejidad de las interacciones del flujo lo convierte en una tarea difícil. «En primer lugar, es complicado medir los efectos de la tensión en la interfaz entre el fluido y las superficies, y entre el fluido y el aire. En segundo lugar, la dificultad a la hora de caracterizar con experimentos películas finas a pequeña escala dificulta la homologación de cualquier modelo», explica Pratik Suchde, investigador principal del proyecto SURFING, financiado por las Acciones Marie Skłodowska-Curie, de la Universidad de Luxemburgo, entidad anfitriona del proyecto. Suchde ha creado un novedoso modelo computacional, diseñado específicamente para simular el flujo de las películas finas, que ha mostrado tener éxito en circunstancias industriales de automoción y transformación de alimentos.
Creación de modelos
Tras analizar los supuestos clave en los que se basan los modelos de flujo de las películas finas existentes, Suchde identificó algunos que limitaban su aplicabilidad. A continuación, se creó un modelo a medida que presuponía una fina película de fluido compuesta por múltiples gotas de fluido que se agrupan. Después, el grosor de la película fina se construye en función de la distribución de las gotas. Al calcular las fuerzas ejercidas sobre cada gota, el equipo llegó a una ecuación (similar a la ecuación de momento de Cauchy), que podía utilizarse como base para calcular el comportamiento posterior del flujo de fluidos. El modelo se dividió en tres partes, cada una de las cuales se sometió a un proceso de homologación independiente. La primera fue validada con datos experimentales, la segunda empleó aproximaciones teóricas, mientras que la tercera parte se validó con modelos de película fina existentes en la bibliografía científica. «Por último, todo el modelo se ha validado con simulaciones de flujo de fluidos a granel de cálculo intensivo, lo que establece un punto de referencia que no depende de aproximaciones de película fina. Esto también nos permitió comprender cómo funcionan conjuntamente las tres partes validadas del modelo», añade Suchde.
Simulaciones de prueba de aplicación
En lo referente al sector del automóvil, el equipo de SURFING se interesó especialmente por la lubricación de las cajas de cambios, donde normalmente se utiliza un líquido a base de aceite para reducir el desgaste, la fricción y el calor que se genera entre las ruedas dentadas. Los modelos actuales de capa fina suelen suponer una película de fluido totalmente desarrollada entre los dientes del engranaje, pero en algunas situaciones (como cuando se introduce lubricante después de que se haya agotado por completo), es crucial modelar también la formación de la capa fina de fluido. Mediante el uso de datos suministrados por socios industriales, el equipo de SURFING pudo modelizar con precisión este proceso. En SURFING también se tuvo en cuenta el sector alimentario, concretamente el uso de líquidos de limpieza a base de agua propulsados por chorro para eliminar restos de comida de grandes bandejas. De nuevo con datos de un socio industrial, el equipo de SURFING utilizó primero la modelización del flujo de fluidos a granel para simular el chorro de fluido de limpieza. Cuando el chorro simulado choca contra la bandeja, los algoritmos del modelo de SURFING detectan automáticamente la formación de una película fina y pasan de modelizar el flujo a granel a modelizar la película fina. Tal como afirma Suchde: «Nuestro nuevo modelo simula casos tan complejos mucho más rápido que los métodos existentes. Es la primera vez en simulaciones de flujo de fluidos que un modelo demuestra tal adaptabilidad dinámica».
Optimización de los procesos industriales
La modelización de SURFING podría ayudar a acortar los ciclos de desarrollo industrial, lo que supondría un ahorro a los productores y, en última instancia, a los consumidores. La mejora de los diseños también podría contribuir a reducir los costes de mantenimiento. También es probable que haya beneficios ambientales. Por ejemplo, el aumento de la eficacia de la limpieza en el sector alimentario podría reducir el consumo de energía, lo que minimizaría al mismo tiempo los residuos. En la actualidad, el equipo está mejorando el rendimiento de su modelización, a la vez que sigue explorando el abanico de posibles aplicaciones comerciales.
Palabras clave
SURFING, fluido, flujo, modelo, superficie sólida, simulaciones, automoción, transformación de alimentos
