INFORME FINAL Lamf-E.T.S.I.A, Laboratorio de Aerodinámica, E. T. S. I. Aeronáuticos, Ciudad Universitaria, MADRID

C O L U M N A S EN L I Q U I D A S I N G R A V I D E Z INFORME FINAL 198 5 Lamf-E.T.S.I.A, Laboratorio de Aerodinámica, E. T. S. I. Aeronáuticos,
Author:  Felipe Moya Pinto

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C O L U M N A S EN

L I Q U I D A S

I N G R A V I D E Z

INFORME FINAL 198 5

Lamf-E.T.S.I.A, Laboratorio de Aerodinámica, E. T. S. I. Aeronáuticos, Ciudad Universitaria, 28 04 0-MADRID

Expediente CONIE: 285/85

Madrid, Diciembre de 1985 Ref.: Lamf 8412

-1-

EXPEDIENTE CONIE No. 285/85

COLUMNAS LIQUIDAS EN CONDICIONES DE INGRAVIDEZ

Convenio de Investigación entre la Comisión Nacional de Investigación del Espacio (CONIE) y la Universidad

Politécnica

de Madrid (UPM), desarrollado por el Laboratorio de Aerodinámica de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros

Aeronáuticos

(ETSIA), durante el año 1984.

Director del trabajo: Ignacio DA RIVA DE LA CAVADA Colaboradores

: Isidoro MARTÍNEZ HERRANZ José MESEGUER RUIZ Ángel Pedro SANZ ANDRÉS Damián RIVAS RIVAS José Manuel PERALES PERALES Juan Carlos LLÓRENTE GÓMEZ Luis Antonio MAYO MUÑlZ Alberto FERNANDEZ HERRERO Jesús LÓPEZ DIEZ

i

-11-

M E M O R I A

Siguiendo con el Proyecto de Investigación sobre el comportamiento de "Columnas liquidas en ingravidez", que desde 1975 se viene desarrollando en el Laboratorio de Aerodinámica de la Universidad Politécnica de Madrid, subvencionado por la Comisión Nacional de Investigación del Espacio, en 1985 se está realizando un amplio programa de actividades que van, desde los necesarios estudios de base, hasta los múltiples experimentos a bordo de diferentes plataformas espaciales.

Para empezar, a finales de Enero tuvo lugar en Bruselas la reunión de revisión de resultados de los primeros ensayos en vuelos parabólicos, realizados en Diciembre de 1984 en Houston

(Texas)

a bordo del avión KSC-135 de la NASA. Varios de los investigadores europeos de física de fluidos aprovecharon esta oprtunidad para conducir ellos mismos sus experimentos. Aunque en estos vuelos a penas se consigue unos 25 segundos de ingravidez (en cada uno de los 20 o 25 saltos que el avión puede realizar en cada vuelo) estos ensayos proporcionan al investigador una alta relación calidad/precio, y cabe recordar que el Laboratorio de Aerodinámica ya habla pedido a la CONIE en 1976 que estudiase la posibilidad de llevar a cabo pruebas de este tipo con aviones españoles.

A principios de Marzo tuvo lugar en ESTEC una prolongada sesión

-iiide entrenamiento de los astronautas para la misión Spacelab-Dl (prevista del 30 de Octubre al 6 de Noviembre de este año) para ejercitarse en el manejo del Módulo de Física de Fluidos, que ha sido sustancilmente modificado respecto al que voló a bordo del Spacelab-1 en 1983.

El dia 6 de Mayo fue lanzado desde la base de Kiruna (Suecia) el cohete alemán TEXUS-12, que transportaba la Célula para Columnas Liquidas para el experimento español "Máximum Injection Rate in a Floating Zone". Se recordará que este aparato ya voló en 1984 en el TEXUS-10, pero alli, la dilatación que sufrió el liquido de trabajo durante un anormal calentamiento antes del despegue, impidió que el motor de inyección de liquido llegase a funcionar, con lo que el experimento ni siquiera fué iniciado. Esta vez, en cambio, el desarrollo del experimento fue perfecto, habiendo significado un rotundo éxito el conseguir formar, por primera vez en cohetes de sondeo, columnas liquidas de 3 0 mm de diámetro por 8 0 mm de longitud.

En Junio se realizó una segunda sesión de vuelos parabólicos en el avión KSC-135, en la que se ensayaron los discos de trabajo que van a ser usados en el Spacelab-Dl. Aunque no se pudieron conseguir

zonas largas por el movimiento

aeronave, se

lograron

detectar

posibles

residual de la problemas

de

compatibilidad de materiales en otros experimentos que hacen uso común del Módulo de Física de Fluidos.

-ivA principios de Agosto tuvo lugar el ensayo general de la misión Spacelab-Dl desde el Centro de Control de Operaciones Espaciales de Alemania (GSOC) en Oberpfaffenhofen

(Munich), con conexión

directa con el Centro de Control de la Misión en Houston y, a través de este último, con los astronautas situados en el simulador del Spacelab en Colonia (Alemania). Como se sabe, este vuelo del Spacelab está fletado integramente por Alemania y el control de los experimentos se realizará en directo desde GSOC via Houston.

Pese a que los equipos de comunicaciones y tratamiento de datos son más modernos que los pioneros equipos utilizados en Houston para el Spacelab-1 en 1983, todavía se observaron muchas deficiencias técnicas, por lo que los investigadores solicitaron una nueva simulación de la misión, aunque lo apretado del calendario hizo impracticable su realización.

Posteriormente, y conocido ya el plan de vuelo nominal para el Spacelab-Dl, el astronauta encargado del experimento español en Física de Fluidos (en este segundo vuelo habla dos experimentos españoles) se desplazó a Madrid para recibir un entrenamiento más detallado, y practicar en las instalaciones de microgravedad simulada del Laboratorio de Aerodinámica de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Aeronáuticos.

Por fin el 30 de Octubre, a las 5 de la tarde (hora española), como estaba previsto, el transbordador espacial Challenger de la

-vNASA era lanzado desde Cabo Kennedy en Florida, llevando en su interior el laboratorio Spacelab, fletado enteramente

por

Alemania.

Por lo que respecta al experimento español de física de fluidos, el objetivo era básicamente repetir los ensayos previstos para el primer vuelo (en 1983), con dos modificaciones principales: primero, con la experiencia ganada entonces, se simplificó la secuencia de ensayos para adaptarse a la realidad (en un par de horas de agitada preparación en un ambiente hostil, una persona no puede realizar todos los experimentos que se han imaginado durante varios años los componentes de un equipo investigador). La segunda modificación fue para evitar el desparramamiento del liquido de trabajo; se cambiaron los discos y el sistema de inyección, y ha sido todo un éxito.

En resumen, y a falta de analizar las imágenes tomadas a bordo, puede decirse que esta vez se ha conseguido controlar el anclaje de la columna liquida a los discos, y se han realizado todos los ensayos previstos. Hay que destacar el anormalmente alto nivel de ruido mecánico en este vuelo, pero el análisis mostrará si se trata de algo anormal o es debido a la extrema sensibilidad de las columnas liquidas tan esbeltas que se llegaron a manejar: cilindros perfectos de 35 mm de diámetro por 100 mm de longitud, las columnas liquidas más esbeltas conseguidas hasta ahora en el espacio!.

-vi-

Í N D I C E

VOLUMEN 1

MEMORIA

ii

1. LA CIENCIA DE LOS MATERIALES EN EL ESPACIO

2 . COLUMNAS LIQUIDAS NO AXILSIMETRICAS

1

37

2.1. Introducción

38

2.2. Planteamiento general del problema

39

2.3. Orden de la bifurcación con gravedad transversal o con discos no coaxiales

42

2.4. Bifurcación para una pequeña excentricidad de los ejes de los discos

48

2.5. Resultados y conclusiones

49

2.6. Referencias

51

3 . COLUMNAS LIQUIDAS COMPUESTAS

53

Apéndice 1. One-dimensional linear analysis of the compound jet

57

Apéndice 2. Experiments with liquid bridges in simulated microgravity

84

-vii-

VOLUMEN 1 (cont.)

4. UTILIZACIÓN DE LA ZONA FLOTANTE EN LA PURIFICACIÓN DE MATERIALES

113

4.1. Introducción

114

4.2. Modelo matemático

115

4.3. Conclusiones

121

Bibliografía

124

-VI11-

VOLUMEN 2

OSCILACIONES NO AXILSIMETRICAS

1

5.1. Introducción

2

5.2. Ecuaciones generales

5

5.3. Análisis lineal

8

5.4. Oscilaciones libres

16

5.5. Resultados

18

5.6. Conclusiones

34

Referencias

35

DATOS DE ALTA PRECISIÓN PARA EL LIMITE DE ESTABILIDAD DE ZONAS FLOTANTES

37

6.1. Introducción

38

6.2. Formulación

40

6.3. Forma de equilibrio

42

6.4. Estabilidad

45

6.5. Puntos singulares

46

6.5.1. Limite de estabilidad de zonas catenoidales

52

6.5.2. Limite de estabilidad de zonas con pendiente nula en el disco mayor

54

6.5.3. Limite de estabilidad de zonas con lal mínimo

56

-ix-

VOLUMEN 2 (cont.)

6.6. Algoritmo para el cálculo del mínimo volumen y de la forma de equilibrio

58

6.7. Ajuste polinómico de la solución

61

Referencias

64

ENSAYOS EN EL COHETE TEXUS-12

71

7.1. Introducción

72

7.2. Resultados del vuelo

73

7.3. Evaluación de los resultados

85

7.3.1. Análisis de las características globales 86 7.3.2. Análisis de las formas

93

7.4. Conclusiones

106

Referencias

108

Apéndice 1. Long liquid bridges aboard sounding rockets

109

Apéndice 2. Eccentric rotation of a liquid bridge.. 116 Apéndice 3. Ajuste de los datos experimentales. Cálculo de la curvatura y del campo de velocidades

EXPERIMENTOS EN EL LABORATORIO SPACELAB-Dl

8.1. Introducción

122

132

133

-x-

VOLUMEN 2 (cont.)

8.2. Modificaciones respecto a los ensayos en el Spacelab-1

135

8.3. Preparación de la misión

137

8.4. Resultados preliminares

139

Apéndice 1. Agenda de trabajo del astronauta en Madrid Apéndice 2. Transcripción del registro de voz

141 143

Apéndice 3. Secuencia de actividades realizadas en el Spacelab

155

i

-1-

1. LA CIENCIA DE LOS MATERIALES EN EL ESPACIO

-2 1. LA CIENCIA DE LOS MATERIALES EN EL ESPACIO

Í N D I C E

1.1. Introducción: la investigación espacial hoy dia 1.1.1. Condiciones ambientales en el espacio 1.1.2. El estudio

de los p r o c e s o s

de m a t e r i a l e s

en e

espacio 1.2. Efecto de la gravedad sobre la materia 1.2.1. Efectos a nivel macrosclpico 1.2.1. Efectos a nivel microscópico 1.2.3. Punto critico 1.3. La convección en el procesos de materiales 1.4. Procesos sin paredes 1.5. Zonas liquidas

flotantes

1.6. Lineas de investigación 1.6.1. Física de fluidos 1.6.2. Solidificación y crecimiento

cristalino

1.6.3. Combustión y reacciones químicas 1.6.4. Separación biológica por elee troforesis 1.6.5. Procesos en levitación 1 7. Resultados y conclusiones

R E S U M E N

El objetivo de este trabajo es el de hacer una revisión tado de las investigaciones

en ciencia

y tecnología,

del es poniend

énfasis

en los aspectos

sos de m a t e r i a l e s ambientales puede

equipos horas

las

existentes

decirse

Spacelab-1

bajo

permitieron

durante

uno de ellos

novísimas

en los

que es ya

a finales

t e r m o d i n á m i c o s , de

de

" c o r r i e n t e " desde 1 9 8 3 , donde

realizar

e n g l o b a b a varias

uno de los cuales

era

con p r e f e r e n c i a

des de cada

contrarse

en

las

ASTP,

S p a r , TEXUS y S p a c e l a b .

Aunque

a principios

beneficios

el vuelo

grandes

(cada

experimentos,

fenómenos

espectro

de

que no se conocen

de

y

consigo

de

los

el proceso es

que

los de

s u f i c i e n t e m e n t e , y no en

que b u s c a r l o s

experimentos

la

en

de en-

NASA

Skylab, pre-

1985.

70 se h a b l a b a

por un c o n o c i m i e n t o más p r o f u n d o

n a d o a través de c u i d a d o s o s

ESA

los e x p e r i m e n t o s

d e s c o n o c i d o s . Al m e n o s habrá

la

éstos

en los v u e l o s A p o l l o ,

a finales

traerla

estudios

interés

un

experimentales

exóticos

de

fin de p r e s e n t a r

están en los v a l i o s o s

guiados

12

peculiarida-

Se m e n c i o n a n

de los años

los b e n e f i c i o s

de

de

realizados

que

de

presente

siglo,

turnos

a una e n u m e r a c i ó n

Spacelab-Dl

inmediatos

de m a t e r i a l e s

en

experimentos

les en el e s p a c i o , la r e a l i d a d

rrestres

del

sofisticados

de p e q u e ñ o s

publicaciones

los e x p e r i m e n t o s

para

uso

de

serie de e j e m p l o s , pudiendo

sobre

vistos

cuyo

el h i s t ó r i c o v u e l o

operando

descriptivo

frente

que una

fácilmente

condiciones

espaciales,

6 toneladas

decenas

a p l i c a c i ó n , con el

p o s i b i l i d a d e s , más

70

proce-

español).

Se ha elegido un t r a t a m i e n t o general

peculiares

laboratorios

a 4 científicos,

10 d i a s ,

y

los m ú l t i p l e s

fabulosos de m a t e r i a beneficios

procesos la

obtención

en lo que queda la T i e r r a ;

te-

de

eso

si,

de los m a t e r i a l e s ,

ga-

en el

espacio.

-4-

1.1. I N T R O D U C C I Ó N :

Con el

LA I N V E S T I G A C I Ó N

fin de dar una v i s i ó n

ciencia

de los m a t e r i a l e s

interés

en

las

las m a y o r e s

de

las p a r t i c u l a r í s i m a s emplazamiento en

de conjunto

condiciones para

de

DÍA

la p o s i c i ó n

las

seguidas

que

han

el estudio

de la

disciplinas

e s p a c i a l e s , conviene

investigación

favorable

sobre

en el c o n t e x t o

investigaciones

lineas

E S P A C I A L HOY

hoy

hecho

resumir

dia, del

de aqui

asi

como

espacio

de p r o b l e m a s

un

de

interés

actividades

humanas

la T i e r r a .

Desde

la P r e h i s t o r i a

relacionadas pero hasta podido salir

modo

tiene

con el estudio

esta

romper

la atadura

noticia

del

siglo

impuesta

nuevos

global, aprovechar

por

XX

la

el

(Astronomía),

hombre

gravedad

i n t e r e s e s : observar

las p a r t i c u l a r e s

para el estudio del c o m p o r t a m i e n t o que este

l e s , pero d e s a p a c i b l e materia

exterior

no

habla

terrestre

y

exterior.

entonces

las c o n s e c u e n c i a s

de

del espacio

segunda m i t a d

al espacio

Aparecieron

se

el

viva y la fisiología

condiciones

(favorable

hombre)

puede

del o r g a n i s m o

para

un

predecir

los m a t e r i a -

producir

humano

de

ambientales

de los m a t e r i a l e s , y

ambiente

para

la T i e r r a

sobre

la

a corto y lar-

go p l a z o .

Aunque

todavía no se ha a c e p t a d o

materias agrupar

de interés en cuatro

para

grandes

la

una

división

investigación

grupos:

definida

espacial,

se

de

las

pueden

-5-

A s t r o f i s i c a : estudio netas.

de n e b u l o s a s , g a l a x i a s , Este es un campo

de teorías

sobre

idóneo

la formación

el

Sol

para

y

el

los

pla-

desarrollo

de e s t r e l l a s ,

fisión

nuclear, radiaciones, plasmas, etc.

Geofísica:

estudio

del

interior

de

la Tierra

(movimientos

magma y m a n t o

terrestre, geomagnetismo, geodesia) y

estudio

biosfera

de

la

(ciclos

vitales,

naturales, población, contaminación, El panorama

que ofrece

oportunidades eran de tipo típico

de

ejemplo

Métrica

investigación,

de

los p r o c e s o s

de

que

infinitas

hasta

las g l a c i a c i o n e s

es

de turbina

"células

solares

rendimiento

ciencia

de

la

Cámara

20

m,

lo

en

que

marítimas

podrán

y material

más

ya

han

predicciones

de

"materiales

trabajar

electrónico

a m u c h o menor la

condicio-

"espacial"

resistentes",

que

fuera de toda duda

de

con

trabajo. A u n q u e

las o p t i m i s t a s

para alabes

(un

de c o s e c h a s , e t c .

este

100 veces más

ahora

globalistas

obtenida

la

"materiales

queda

es

de m a t e r i a l e s

es

trata

a la historia

cho m a y o r

de

recursos

meteorología).

la c a r t o g r a f í a , p r o s p e c c i o n e s

m o d e r n a ; de ella

°C",

son

del S p a c e l a b - 1

nes e s p a c i a l e s . Esta

pasado

ya

resolución

y terrestres, seguimiento

estudio

campo

es el estudio

a bordo

revoluciona

este

local y ahora

la T i e r r a ) . La

Materiales

del

precio",

incomparable

a

2000

de m u etc. ,

utilidad

-6-

que

tiene

mejor

Biología:

la

experimentación

comprensión

de

proceso

de m a t e r i a l e s

estudio

de

los

espacial

fenómenos

humana

vivas

y transformaciones

tidad

de procesos

termoqulmicas

son más p r o p i a m e n t e

espacial gran

da

lugar

importancia

brimiento

vección

natural

1.1.1. C o n d i c i o n e s

dirección gunos:

gravedad,

y campos dando

más

en el

efectos

relevante

como

en la ciencia

de

transacuosa.

(sistema

el

ambiente

fue

de

descu-

mostrar

ocular

ocasio-

debido

a

la

se

con-

se c r e í a .

espacio

que

tienen

fácilmente

estáticos

con m a t e r i a l e s . La ausencia

que

can-

en el o í d o ) también

siendo

ambientales

y m a g n é t i c o s , son

gran

a n a l i z a r . Un

en órbita y en la s u p e r f i c i e

lugar a i n t e r e s a n t e s

procesos

de calor

(ma-

y modificaciones

t e m p e r a t u r a , p r e s i ó n , radiación

eléctricos

al

células

disolución

Spacelab-1

vestibular,

ambientales

Una

son más

(oscilación

i n g r a v i d e z , no

los p a r á m e t r o s

distintas

en el

térmico

las

fluidodinámicos

a cambios

nada por a p l i c a c i ó n en

en

de

sobre unos y otros

importante

produce

no

que es preciso

que el n i s t a g m u s

Son b a s t a n t e s

genéticas.

biológicos

c i r c u l a t o r i o ) , pero

inherentes

en i n g r a v i d e z

reo, d e s c a l c i f i c a c i ó n ) , d e s a r r o l l o

Otros

una

en la T i e r r a ,

la fisiología

formaciones

para

magnitud

terrestre. cósmica

Alsolar

identificables,

y dinámicos

de gravedad

y

y

es el

en

los

parámetro

los m a t e r i a l e s . Los d e m á s : a t m ó s -

-7fera rarificada, bajas temperaturas, baja presión, alta ción, etc., pueden conseguirse

con mayor

o menor

radia-

facilidad

en

periodos

de

los laboratorios terrestres.

La obtención de gravedad

reducida

durante

tiempo puede conseguirse en tierra mediante

cortos calda

libre

en to-

rres de vacio (2-3 segundos), vuelo parabólico de aviones segundos), calda libre desde globos estratosféricos tos) y vuelo balístico de cohetes estratosféricos

(15-25

(1-2 minu-

(4-6 minutos),

pero los lentos procesos de relajación termodinámicos que suelen intervenir en la obtención de las condiciones

de equilibrio

los sistemas heterogéneos de i n t e r é s , requieren

tiempos

mayores, por lo que el laboratorio orbital es la única

de

mucho

solución

aceptable.

Aunque se habla a menudo de "ingravidez", conviene recordar

que

se trata en realidad de una gravedad reducida, y que, en el mejor de los casos, hay que contar con una perturbación (en magnitud y sentido) del orden m.s

de 5.10

, la aceleración de la gravedad

aleatoria

g (siendo g =

en la superficie

9.8

terres-

tre). Esta perturbación es debida al movimiento del personal

de

a bordo, pero hasta en los vehículos no tripulados se alcanza un valor del orden de 10

g (con una frecuencia entre 0.1

y 10 Hz)

por causa de la resistencia aerodinámica y maniobras de mantenimiento de órbita y actitud.

1.1.2. El estudio de los procesos de materiales en el espacio

-8-

La ciencia

y tecnología

estudiadas

con gran d e t a l l e ; no es p r o b a b l e

teorías der

de los m a t e r i a l e s

científicamente

trabajar

te un gran bilidad

en c o n d i c i o n e s

interés de

por

la gravedad

"experimentación fuerzo

que

riales

en el

De entre gravidez,

teorías

los

han

que a p a r e z c a n

sido nuevas

r e d u c i d a . Aun a s i , e x i s -

científica

por

simples m e d i a n t e

terrestre.

no p e r t u r b a d a " lo que

se está d e d i c a n d o

la T i e r r a

por el mero hecho de po-

de gravedad

la comunidad

de c o n t r a s t a r

perturbados

revolucionarias

en

Es

tener

experimentos

no

oportunidad

de

esta

justifica

hoy dia a la

la p o s i -

el

ciencia

enorme

de

los

es-

mate-

espacio.

fenómenos

se pueden

. Aparición

que m e r e c e n

estudio

en c o n d i c i o n e s

de in-

citar:

de

las c o r r i e n t e s

de c o n v e c c i ó n

y

acoplamiento

c o n v e c c i ó n - d i fus ion. . Convección

durante

y su interacción pecialmente

de

fase y r e a c c i o n e s

los p r o c e s o s

de

transformación

aquéllos

responsables

de

la

de

la c o m p o s i c i ó n

en d i s o l u c i o n e s

. Propiedades fases:

composición . Interacción

y temperatura

superficial

de m e n i s c o s

en

la

distri-

y difusitividades

y fenómenos

y concentración

b o r d e , ángulos

microestructura

térmica

y fundidos.

de e q u i l i b r i o

tensión

(es-

sólidos).

bución de d e n s i d a d , v i s c o s i d a d y másica

químicas

con

de los m a t e r i a l e s . Influencia

cambios

en de

dinámicos

función de la

en

inter-

temperatura,

contaminantes.

con p a r e d e s

sólidas:

efectos

de c o n t a c t o , m o j a d o y h u m e c t a c i ó n .

de

-9. Parámetros termodinámicos cerca de los puntos críticos de transformación.

La simplificación del análisis de modelos teóricos sencillos sistemas tan complejos como

los anteriores

siguientes efectos

a la gravedad

debidos

drástica de la convección

natural

está basada reducida:

inducida

por

disminución de la sedimentación, disminución

los

reducción

flotabilidad,

de la estratifi-

cación por gradiente de densidad en las proximidades critico y posibilidad de aislamiento

en

de

y levitación

del

de

punto

muestras

(ausencia de paredes).

Como contraposición a este amplio espectro

de posibilidades

estudio ventajosas en ingravidez, hay que tener presente ambiente espacial introduce

tantos

o más problemas

de

que el

de los

que

resuelve: seguridad, sofisticacion de los e x p e r i m e n t o s , fiabilidad, disponibilidades, accesibilidad, etc. Ya está pasada

la

época aventurera en que el mero hecho de realizar cualquier "experimento" a bordo de una nave espacial era razón suficiente

de

valla. El uso de esos costosos laboratorios

la

espaciales

para

investigación y desarrollo de materiales debe ser racionalmente limitado a los casos de especial interés científico en los que, tras un exhaustivo análisis teórico-experimental en laboratorios terrestres, aparezca esta necesidad y, aun asi, se trabajará paralelo para separar nítidamente

el efecto

de la

en

ingravidez.

-101.2. EFECTO DE LA GRAVEDAD SOBRE LA MATERIA

1.2.1. Efectos a nivel macroscópico

El manejo de materiales en gravedad terrestre requiere un soporte (si son sólidos) o un recipiente

(si son

fluidos);

en gene-

ral, se puede decir que necesitan un apoyo o un medio de levitación y, además, un procedimiento de posicionado

(mantenimiento o

cambio de su situación relativa a otros cuerpos).

Por otra parte, la gravedad

ocasiona

un estado

deformaciones en los sólidos, una presión

de esfuerzos y

hidrostática

fluidos en equilibrio, y una pérdida de estabilidad estratificados con gradiente de densidad

opuesto

en

en

los

fluidos

al campo gra-

vitatorio (inestabilidad de Rayleigh-Taylor), entre otros

efec-

tos; tal vez uno de los más curiosos sea el de la posición

que

adopta la superficie libre de un liquido en ingravidez.

La presencia de un campo de fuerzas másicas, como el gravitatorio, da lugar a fuerzas de flotabilidad en fluidos estratificados, siendo la fuerza proporcional a la intensidad del campo y a la diferencia de densidades. El efecto de la flotabilidad

sobre

las inclusiones en un fluido es el de sedimentar las

partículas

más pesadas (partículas sólidas

en

o gotas

de liquido

sión) y elevar las más ligeras (burbujas o gotas menos Si las partículas son de tamaño m i c r o s c ó p i c o

suspendensas).

o coloidal

que añadir otros efectos, como el movimiento browniano

habrá

(fluctua-

ciones moleculares) que hace más lentos estos procesos de decan-

-11tac i¿n.

El efecto de la flotabilidad

sobre masas

fluidas

densidades es el de originar una estratificación

de

diferentes

(grradiente

de

densidad en la dirección del campo gravitatorio). Si los fluidos son inmiscibles aparecen interfases de separación perpendiculares al campo, que se presentan como superficies de discontinuidad (a nivel macroscópico), y cuyo estudio ciado con la experimentación

en gravedad

se verá muy

benefi-

reducida. Cuando

alguna razón el gradiente de densidades no está alineado campo, aparece

un movimiento m a c r o s c ó p i c o

por

con el

de convección

del

fluido, que se suele llamar convección natural.

La convección natural es crucial en casi

todos

los procesos

de

materiales con alguna fase fluida debido a su influencia

en el

transporte de masa (varia la concentración) y de energía

(varia

el campo de temperaturas). El problema es tan complejo que entre los técnicos metalúrgicos la convección natural se tenia por un hecho incontrolable, caprichoso (impredecib 1e ) e indeseable la mayoría de las ocasiones

(aunque en otras ayudaba

en

a un buen

mezclado).

De cualquier modo, hay que puntualizar que los efectos

que

ori-

gina la gravedad no pueden ser evaluados

tan

sólo

considerando

las fuerzas gravitatorias, sino que es necesario recurrir

a una

comparación con el resto de las fuerzas actuantes y analizar importancia

relativa. Como

indicadores

de este

aparecen los números adimensionales del análisis

su

sopesamiento de

semejanza,

-12tales como:

el numero de Reynolds

(relación

entre

las

fuerzas

de

inercia y las viscosas), que nos da idea de la "amplitud" del movimiento.

el número

de Strouhal

(relación

entre

las

fuerzas

de

inercia locales y convectivas), que muestra la influencia del tiempo (procesos no estacionarios).

el número de Prandtl (relación entre las difusi t i v idades viscosa y térmica), que indica la relativa importancia de ambos fenómenos de transporte.

el número

de Grashoff

(relación

entre

flotabilidad y las fuerzas v i s c o s a s ) ,

las

fuerzas

de

que determina

la

aparición de la convección libre (suele usarse también el número de Rayleigh que es el producto Gr.Pr).

el número de Nusselt (relación entre

los transportes

de

calor por convección y conducción), etc.

Un cuidadoso análisis adimensional nos permite experimentos en tierra que no estén dominados

también por

la

diseñar

gravedad,

por ejemplo trabajando con longitudes características pequeñas o con materiales de características más adecuadas (mayor viscosidad, menor coeficiente de dilatación, e t c . ) ,

aunque

ello

suele

añadir otros problemas secundarios, por lo que es preciso

adop-

-13tar una solución de compromiso. En general, las posibilidades de llevar a cabo tales simulaciones disminuye al aumentar el número de parámetros que intervienen simultáneamente

(existen numerosos

fenómenos de combustión, solidificación y separación en los cuales es éste el caso).

1.2.2. Efectos a nivel microscópico

El efecto del campo gravitatorio a nivel de la energía atómica y molecular es despreciable; en estas dimensiones los campos eléctricos y magnéticos debidos a las demás partículas

dan

lugar a

fuerzas mucho mayores, y, como la experimentación demuestra, la no inclusión de las fuerzas gravitatorias en la teoría da a resultados aceptables

(aunque se han apuntado

algunas

lugar excep-

ciones que tienen lugar en experimentos de resonancia que tratan de fenómenos hiperfinos).

Se puede dar una sencilla explicación del porqué de esa insensibilidad al campo gravitatorio con el átomo de hidrógeno, para el cual existe una concordancia total entre la teoría sin

gravedad

y la experimentación en tierra. Estimaciones rudimentarias indican que dentro del átomo de hidrógeno la energía potencial vitatoria es del orden de 10 - 3 8 julios, mientras que la

gra-

energía

_ 1 O

potencial eléctrica es de unos 10

julios.

Aunque los niveles de energía para átomos y moléculas grandes no son conocidos con tanta precisión como para el átomo de hidrógeno, el efecto de la gravedad es también despreciable. La idea es

-14que cualquier propiedad medible de un gran conjunto de moléculas experimeenta fluctuaciones térmicas que enmascaran totalmente el efecto local de la gravedad. La medida de una propiedad

local,

tal como la temperatura, supone un promedio extendido a unas 10 moléculas como mínimo, con una fluctuación

térmica

en el valor

medido de un 1 °L aproximadamente, lo que supone una

fluctuación

_ o1

en

energía

potencial

del

orden

de

gravitatoria

10

julios,

asociada

al

mientras

tamaño

que

energía

característico

A

m uestra (unas 10

la

de

la

_ o O

moléculas) no es más que de unos 10

julios.

Es decir, las ecuaciones de estado del equilibrio local, los ángulos de contacto en las lineas triples de unión

de fases

dis-

tintas, los coeficientes de transporte, etc., son independientes de la gravedad

(al menos hasta

centrifugadoras actuales).

los niveles

alcanzados

Sin e m b a r g o , existe una

con

las

excepción:

los fenómenos en las proximidades de los puntos críticos.

1.2.3. Punto critico

Hasta mediados del siglo pasado se pensaba

que habla

diferentes de gases, según que al comprimirlos licuasen o no (se llamaba gases

permanentes

Pero en 1869 Andrews publicó un trabajo

dos

tipos

isotérmicamente

a estos

últimos).

experimental

sobre

el

punto critico del dióxido de carbono, estableciendo que la curva de presión de vapor tiene un punto limite lo cual, a partir de una cierta

(punto c r i t i c o ) ,

temperatura

(temperatura

tica) por mucho que se comprima el gas no aparece una definida gas-liquido. Apenas

cuatro

años más

tarde

por cri-

interfase (1873) van

-15der Waals publicó su célebre tesis doctoral explicando nómeno con una teoría sencilla sobre la interacción

En cierto sentido, el punto critico puede

nivel de medio continuo. Cerca de un punto el coeficiente

(l/o)( o/ p)

va creciendo

como un

y fenómenos a

critico, al ir dis-

de c o m p r e s i b i l i d a d hacia

molecular.

considerarse

punto de unión entre fenómenos a nivel molecular

minuyendo

este fe-

isotermo,

infinito, por

lo que

ligera variación de presión por efecto hidrostático enormes variaciones de densidad, originando una

da

k =

la más lugar a

estratificación

que impide tener una fase homogénea. La explicación es que al ir acercándose al punto critico, el tamaño de la masa de

moléculas

que interviene en las fluctuaciones térmicas va aumentando y las diferencias de energía potencial empiezan a ser importantes, con lo que las ecuaciones de estado, los coeficientes de transporte, etc., se hacen dependientes de la gravedad

(el modo en que

esto

ocurre todavía no se entiende bien).

En estos procesos el tiempo es un parámetro más

cerca

del punto

c r i t i c o , más

lentos

importante: son

cuanto

los procesos

de

transporte que llevan al equilibrio. Por ejemplo, para un experimento cuya escala de longitud es de un c e n t í m e t r o , el

tiempo

de aproximación al equilibrio es de varias horas. Los coeficientes de difusión tienden a cero y para lograr equilibrio

de con-

centraciones en un sistema de varios componentes se pueden necesitar dias.

-161.3. LA CONVECCIÓN EN EL PROCESO DE MATERIALES

En los procesos con masas fundidas o con vapores se suele rar una gran cantidad de energía en el frente de

solidificación

y en el de reacción, si los h u b i e r a . Esta energía libera en una capa delgada, más

o menos

libe-

interna

curva, a través

se

de la

cual existe un salto brusco de las propiedades físicas y químicas (sobre todo si existen reacciones de c o m b u s t i ó n ) .

El

salto

de densidades a través del frente tiene una importancia

capital

en presencia de la gravedad

másicas

(u otro

campo

de fuerzas

cualesquiera); este salto de densidades va acompañado

de dife-

rencias de concentración debido al cambio de fase y a la segregac ion.

Aun con gravedad, si no hubiera salto de densidades, las transformaciones tendrían

lugar

sin que apareciesen

corrientes

de

convección, desplazándose el frente a través de la masa de material sin originar más que un proceso de difusión inherente

a la

diferencia de composición a uno y otro lado. Pero la acción conjunta de la gravedad y el gradiente de densidades da lugar aparición de corrientes de convección que aceleran

a la

perpendicu-

larmente el fluido en contacto con el frente y curvan

la

inter-

f ase .

Si se pudiesen conseguir configuraciones de gran simetría nas, cilindricas, e s f é r i c a s ) la variación

(pla-

en la curvatura

no

seria difícil de estudiar. Es sencillo generar dichas configuraciones simples a partir de un plano, una linea o un p u n t o , pero

-17mantenerlas un tiempo suficiente ya es otro problema; en efecto, en presencia de la gravedad

t e r r e s t r e , sólo

la forma plana

se

conservarla (si el campo fuese perpendicular). Con e l l o , parece que la convección serla sencilla de estudiar (movimiento irrotacional con lineas de corriente rectas), pero un análisis más detallado nos dice que no es todo tan simple: la primera

dificul-

tad es que interesan sobre todo los procesos no isotermos en los que la energía cedida en el frente va calentando el material, lo cual, si la fase de arriba (respecto a la gravedad) es

fluida,

será inestable (inestabilidad de Rayleigh-Taylor).

La segunda dificultad

surge de la diferencia

de composición

el frente, que tanto puede oponerse, como reforzar el

en

gradiente

de densidades de origen térmico (si se opone, y éste era

esta-

ble, puede desestabilizarlo). La tercera dificultad

inex-

está

cusablemente ligada al sistema de confinamiento del material: en un experimento real, cualquier frente plano llegando a las paredes de la cámara capa limite fluidodinámica

adherida

acaba

lateralmente

y en la unión

aparece

a la pared, dentro

cual la convección es importante siempre

(este efecto de

ocasione también inhomogeneidades en las temperaturas

una

de la borde

y presio-

nes cuyo efecto no se conoce todavía bien).

Los efectos de borde impiden una completa lindrica, pero no aparecen

simetría

en la configuración

plana

esférica.

tanto, para comprobar las teorias propuestas para los de cristalización, quemado y otros procesos

de

o ciPor

fenómenos

transformación,

es conveniente idear experimentos en los cuales se puede obtener

-18-

y mantener porque

simetría

el campo

e s f é r i c a . En la T i e r r a

de fuerzas

cional) y aparecerían simetría

la rapidez

del proceso

Cuando

cortos

l i b r e , vuelo

la v e r i f i c a c i ó n

conveniente

unidirec-

que r o m p e r í a n

que o r i g i n a r á Trabajando

de

son

es-

debido

convección del

en

y

sea

han

ingra-

permite

cohetes),

por

experi-

importantes

lo

a

experimento,

característico

parabólico,

sobre

de p r o p a g a c i ó n

crecer

cristales lo

por d i f e r e n c i a

imperfecciones

e

toda corriente

nómenos

que

inestabilidades de

la

(to-

haciendo

a baja velocidad cual

es

una

de d e n s i d a d e s

se evitarla

esta

pero

fuente

a lo largo

el

en

convección

que eso no quiere

de una

gradiente interfase

uni-

de

con

de

(si hay

es un

movi-

gravedad)

el por

decir

de c o n v e c c i ó n , pues hay otros

la i n d u c e n , c o m o

y no

solidificación,

inestabilidades

que tener p r e s e n t e

suprima

concentración

la

si el e x p e r i m e n t o

teorías

en ingravidez

dad, pero hay

de

del

a la e x p e r i m e n t a c i ó n

de t e m p e r a t u r a ,

convectivo

moderada,

la

espacial.

frente

hacer

gran g r a d i e n t e miento

(gravedad

dimensión

de la gravedad

que acudir

uso de un laboratorio

del

que el tiempo

los efectos

sea en tiempos

formidades

en una p r o p o r c i ó n

o a la pequeña

es mucho m e n o r

rres de calda

Para

imposible

de c o n v e c c i ó n

que el tiempo de d e s a r r o l l o

de ser e v i t a d o s , hay videz,

corrientes

o presentarse

de tal m a n e r a

mento.

es casi p a r a l e l o

es

e s f é r i c a . A v e c e s , sin e m b a r g o , pueden no a p a r e c e r

tos efectos

gravedad

e esto

frente. graveque

se

muchos

fe-

temperaturas

y/o

(convección

de

Maran-

goni).

A veces

el análisis

es t o d a v í a

más

complicado,

porque

existen

-19partículas en suspensión con tendencia a la sedimentación

(en un

campo de fuerzas). Muchos procesos de solidificación, de quemado de combustibles pulverizados, de separación de moléculas y células biológicas, etc., son de este tipo.

1.4. PROCESOS SIN PAREDES

Para ciertos experimentos científicos y tecnológicos de propiedades o de proceso de materiales una muestra, en general un

se requiere

liquido, sin contacto

(para evitar la contaminación

de

medida

mantener

con

paredes

por e l l a s , o la r e a c c i ó n , o el

simple contacto térmico y mecánico). Con gravedad, seria necesario oponer una fuerza másica de la misma intensidad que el peso; esto

se ha hecho

con campos

e l e c t r o m a g n é t i c o s , pero es

aplicable a ciertos materiales y bajo condiciones

muy

sólo

restric-

t ivas .

Aunque ya no sea tan b u e n o , se puede

compensar

el peso de la

muestra mediante fuerzas de superficie: hidrostáticas tro), aerodinámicas

(baño neu-

(corriente de aire) o acústicas (ondas esta-

cionarias), aunque ello da lugar a una convección forzada

en la

superficie por efecto de la capa limite. En cualquier

caso, las

posibilidades de estos dispositivos están severamente

limitadas

en cuanto a tamaño de la muestra, ya que todos los efectos judiciales son proporcionales

a la fuerza

de levitación

tanto al peso. Conviene, pues, disminuir el peso.

pery por

-20Aunque en un laboratorio espacial la muestra "flota", siempre es necesario disponer de un procedimiento de control

de

ya que, la experiencia adquirida en vuelo, muestra

posición,

que

las pe-

queñas perturbaciones en órbita y actitud de la nave y la velocidad residual de posicionado de la muestra originan una hacia las paredes de la cámara de ensayo. Para evitar riva y para controlar la posición

relativa

esta de-

de dos o más

tras, se han ideado dispositivos electromagnéticos cuyos efectos secundarios

deriva

y

(convección inducida) son

mues-

acústicos desprecia-

bles por la baja intensidad del campo (que ahora ya no

soporta

tanta carga como en tierra).

1.5. ZONAS LIQUIDAS FLOTANTES

Un procedimiento intermedio

entre

la utilización

llenos de material a tratar y la levitación lada es el de mantener una masa liquida

de

cartuchos

de la muestra

ligeramente

una superficie sólida. De entre las diferentes

ais-

apoyada

formas

de

en

hacer

esto, la que está siendo más estudiada es la de una columna

li-

quida entre dos discos paralelos coaxiales

si,

separados

debido por una parte a la sencillez de la geometría al alto grado de control y m a n i p u l a c i ó n

entre y por

que permite. Ya

otra se ha

construido varios aparatos para el estudio experimental con esta técnica (zona flotante) a bordo del Spacelab. Con esta ración se pueden estudiar numerosos

fenómenos

inestabilidades de interfase, tensiones ción de Marangoni, efectos macroscópicos

configu-

fisicoquimicos :

int e r f aci a 1es, de las fuerzas

convecinter-

-21moleculares, electroforesis, dinámica del mojado de sólidos

por

líquidos, hidrodinámica de burbujas y partículas en suspensión, difusión de solutos, etc. Esta técnica de trabajo no es n u e v a ; en metalurgia se usa para el crecimiento y purificación de cristales (método de Czochra1ski), en las acerías nua, etc.; su estudio en ingravidez promete

de colada

conti-

perfeccionar

y po-

tenciar su utilización en la Tierra.

1.6. LINEAS DE

INVESTIGACIÓN

Una vez presentado el análisis de las particulares

condiciones

del ambiente espacial y su influencia sobre los procesos teriales, se trata de identificar las áreas de estudio meten resultados más halagüeños

en las

de ma-

que

investigaciones;

proéstas

pueden agruparse, con cierto orden de importancia, en: física de fluidos, solidificación, combustión, y eletrofores is , aunque

se

puede añadir un apartado más, la levitación, debido a las especiales oportunidades que ofrece en otras áreas.

Conviene aqui volver a insistir en el carácter básico del

enfo-

que dado a este trabajo, por lo que no se hablará de

materiales

sino de fenómenos. A este respecto se puede comentar

la dicoto-

mía existente quieren

entre

ensayar

con

los i n v e s t i g a d o r e s : unos

"reactores

técnicos)

silicio, g e r m a n i o , h i d r a c i n a , etc.;

otros hablan de "fluidos newtonianos nolds",

(los

a bajos números

c a t a l í t i c o s " , e t c . , y, aunque

los

de Rey-

siempre

es

preferible trabajar con el material de mayor aplicación, no debe

-22ser éste un condicionante.

1.6.1. Física de fluidos

Los líquidos y gases forman parte fundamental de los equipos todos los vehículos expaciales

de

(combustibles, fluidos vitales en

vuelos tripulados). Ademas de este interés

per

se, los

fluidos

son una parte fundamental en la mayoría de los procesos de materiales sólidos (cambios de fase). En realidad, todos los experimentos propuestos en el área de m a t e r i a l e s , sean básicos aplicación, incluyen fases los experimentos

fluidas. En

a realizar

la Tabla

en el Spacelab-Dl

Tabla 1. Experimentos de física

de fluidos

1 se

muestran

en este

previstos

o de

campo.

para

el

Spacelab-Dl.

- Capacidad

térmica y formación de fases cerca del pun-

to critico - Mínimo de la tensión superficial con la temperatura - Convección de Marangoni en canal, en zona

flotante y

en mezcías - Separación de fases por gradiente térmico - Separación de líquidos con miscibilidad

parcial

- Fuerzas capilares y electrostáticas - Estabilidad de la zona flotante - Interdi fus ion en sales y metales

fundidos

-23La acción de la gravedad es tan importante que se hace necesario un estudio minucioso

del estado

termodinámico

y la

evolución

(fenómenos de transporte) en su ausencia. El desglose de

puntos

a tratar puede ser:

Diferentes fases fluidas

Dentro del volumen considerado puede haber fases fluidas separadas por interfases

(aunque no se aprecien bien, como en el

caso

de espumas, aerosoles y suspensiones de partículas). El equilibrio termodinámico en la interfase es de importancia

capital

en

la ciencia de los materiales y en la biología. Asimismo, hay que estudiar las lineas triples (intersección de interfases),

sobre

todo desde un punto de vista dinámico. Todos estos fenómenos son complicados y la ingravidez puede simplificar su estudio.

Los tipos de fluidos a estudiar van desde los líquidos newtonianos neutros de un sólo componente, hasta quidos elásticos y cristalinos, mezclas

los

s upe rf1uidos , lí-

r e a c t i v a s , fluidos

po-

lares y cargados, etc.

Estado

termodinámico

La gravedad influye

en el estado

de equilibrio

sistemas fluidos como ya se ha explicado del punto

critico

esta

estudiarla desde ambos

influencia puntos

estadística) y macroscópico

global

de

anteriormente.

los

Cerca

es decisiva, y es

preciso

de v i s t a : microscópico

(física

(física de medios continuos).

-24-

Evoluc ion

En g e n e r a l , c u a n d o fenómenos

de

un

fluido

transporte

no

(de

está

masa,

e n e r g í a ) por d i f u s i ó n , c o n v e c c i ó n generación/desaparición químicas, grados

ionización

de libertad

rientación

De entre

(cambios

de la i n t e r f a s e ,

soluciones de gravedad

ción de las interfases en fenómenos cerca

de

o radiación,

internos, polarización,

las muchas

fenómenos

cantidad

de

aparecen

movimiento y

fenómenos

fase,

de

reacciones

(excitación

magnetización,

etc.)

y

para

de

reo-

cualquiera

presentes.

gar en condiciones

téresis

masa

equilibrio,

y d i s o c i a c i ó n ) y de energía

en las capas

de las especies

de

en

del

particulares reducida,

en el e q u i l i b r i o

se pueden

critico,

que

investi-

citar:

situa-

(y su e s t a b i l i d a d ) , h i s -

capilares, propagación punto

que hay

de

discontinuidades,

coa 1 e s c e n c i a , n u c l e a c i ó n ,

ebullición, electrólisis, etc.

1.6.2. S o l i d i f i c a c i ó n

El estudio

de

los m a t e r i a l e s

yos de s o l i d i f i c a c i ó n T i e r r a , el proceso asociado

y crecimiento

convección

de s o l i d i f i c a c i ó n

complicado

que alteran

temperaturas.

Es

en el e s p a c i o

en los vuelos A p o l l o

un transporte

tremadamente

cristalino

la

importantísimo

los

ensa-

6 0 . En la

inherentemente

por d i f u s i ó n ) se ve ex-

superposición

grandemente

con

en los años

(al cual va

de masa y energía por

empezó

de

corrientes

el campo de c o n c e n t r a c i o n e s aislar

los

efectos

de y

primarios

-25-

( d i f u s i ó n ) de los secundarios

( c o n v e c c i ó n ) , para

teorías b á s i c a s , sin la cuales pasar

En

de una mera

la Tabla

área

en

el

subdividir

Frente

2 se

fase

resumen

los

experimentos

Spacelab-Dl.

Los

pro-

f u s i ó n , predice

quido ya lejos del

riales

varias

entre

en

de una

están

la posibilidad

el

ASTP

con

sirviendo

en

se

este

podrían

para

sólido y

llegar

germanio

la

li-

ensayos

con

solidi-

lo que se c o r r o b o r ó y

recientemente

los

que

del

a conseguir

c o m p u e s t o s . Estos de

por d i -

de difusión

se h i c i e r o n

y otros

estudios

tica,

gravedad

no

es que

casi

del el

orden espesor

ción

compuestos

tiene

movimiento).

limite

la s o l i d i f i c a -

(si el liquido

menor

controlada

de

en

con el

expemate-

espacio.

f a s e s , en general

d i f u s i ó n , que

de

de p r o m o c i ó n

eutéctico

mucho

a tratar

del

de c o n v e c c i ó n ,

se está e s t u d i a n d o

la

capa

la c o m p o s i c ó n

con silicio y otros

en el

También

a realizar

de la s o l i d i f i c a c i ó n

sin c o r r i e n t e s

ensayos

rimentos

blemas

f r e n t e . En el Skylab

que m o s t r a r o n

Spacelab-1

puede

plano

la e x i s t e n c i a

sirve de transición

otros

no

asi:

de s o l i d i f i c a c i ó n

ficaciones

conocimiento

las

empírica.

La teoría u n i d i m e n s i o n a l

In-Sb

cualquier

contrastar

exactamente

influye, del de

fuera

ya

presencia

del

que

la

de

las

la

limite

de

porcentaje

la c o m p o s i c i ó n

espesor capa

en

capa

eutéc-

limite

de

laminillas,

es

de

de

cantidad

-26-

Frente no

Las

plano

situaciones

plana

en

las

que h a s t a

difusión

es el proceso

por

ahora

interfase

o dendritica)

todas

de

difícil

o r i e n t a c i ó n , o usando cindible

entonces

2.

de

recurrir

só1 ido - 1 i q u i d o son

teorías

tan

es

difíciles

de

consideran

en tierra

que

Para

la

estas

es muítid i r e c c i o n a 1 y (ni

aun

cambiando

e l e c t r o m a g n é t i c o s ) . Se hace

a la e x p e r i m e n t a c i ó n

de

no

predominante.

contrarrestar

campos

Experimentos

las

transporte

c o m p l e j a s , la c o n v e c c i ó n

tanto, muy

Tabla

la

(por e j e m p l o , celular

estudiar

formas

que

solidificación

a

en

la

impres-

ingravidez.

realizar

en

el

Spacelab-Dl.

- Crecimiento

de Si en zona

- Crecimiento

de InSb, G a l n S b , G a S b , C d T e , Be y

- Crecimiento

desde vapor

- Crecimiento

desde

flotante

de HgCdTe

disolución

de

PbSnTe

y Ge-l2 grandes

cristales

orgánicos - Solidificación

de a l e a c i o n e s

- Solidificación

de s u s p e n s i o n e s

- Solidificación

dendritica

- Solidificación

direccional

- Difusión

en el frente de

- Morfología

celular

- Fusión con

cascara

inmiscibles metálicas

de aleaciones de e u t é c t i c a s

solidificación

en a l e a c i o n e s

PbTl

Al-Cu de

InSb

-27 Solidificación de materiales

compuestos

La posibilidad de aprovechar la ingravidez para la obtención

de

compuestos con fases de densidades muy diferentes, uniformemente dispersas, parece muy atractiva. Un estudio más detallado tra que para partículas muy seria pequeña

(para

finas

la segregación

tiempos m o d e r a d a m e n t e

en la

muesTierra

largos) ya que

la

aglomeración y decantación están gobernadas en este caso por el movimiento browniano. Para partículas

m a y o r e s , pueden

ensayos en la Tierra con fundidos inmiscibles

hacerse

de la misma

den-

sidad, o, si son de densidades diferentes, mezclando el disperso una vez que la matriz ha empezado a solidificar.

1.6.3. Combustión y reacciones químicas

La combustión está estrechamente ligada a la termodinámica, cinética química y la mecánica de fluidos y su utilidad ponderante en los procesos

técnicos

de conversión

de

es

la

pre-

energía,

sin olvidar su incidencia sobre la contaminación y seguridad

de

bienes e individuos.

En la Tierra la combustión está controlada

por

los procesos

de

y gradiente

de

la verificación

de

convección natural (efecto conjunto de gravedad densidad) lo cual dificulta

en gran medida

teorías básicas relativas a los procesos ción química y al transporte

difusivo

caso es tan complicado que el único

inherentes

a la reac-

de masa y energía.

camino

seguro

separando efectos mediante un diseño cuidadoso

de

El

es el de ir experimentos

-28que aislen unos parámetros

de o t r o s ; a este

fin, el

ambiente

espacial puede proporcionar una inestimable ayuda.

Llamas de difusión

La velocidad de muchas reacciones químicas, y ciertamente las de combustión, es tan grande (órdenes de magnitud velocidades de transporte de masa y energía bles comunes en condiciones

típicas) que

mayores

para

los

se supone

equilibrio químico en cada instante, por lo que, si y oxidante no están premezc1ados, la reacción

que

combustique

existe

combustible

está

controlada

por el acceso de oxidante a la zona de quemado. En teoría transporte

seria por difusión, pero

Tierra muestran

sin

lugar

a dudas

los e x p e r i m e n t o s

que aparecen

las

este en

la

corrientes

de

convección natural.

Para gotas aisladas, con la ayuda han

conseguido

régimen

llamas

estadionario

de torres

de calda

e s f é r i c a s , pero no se puede debido

a la corta

(unos segundos). Los

laboratorios

estos primeros vuelos

en los que

mentar con combustibles, vendrá

duración

libre

se

llegar

al

de la

o r b i t a l e s , una vez la seguridad

a suplir

estas

impide

caida

pasados experi-

deficiencias y

permitirá un análisis exhaustivo de estos p r o c e s o s . A d e m á s , se han observado en la Tierra

otros

efectos

que

también

merecen

atención: interferencia de llamas entre gotas próximas, inflamabilidad y extinción en combustibles

pulverizados

(función

tamaño medio de las partículas y de su distancia m e d i a ) ,

del etc.

-29 Llamas premezcladas

Una de las parcelas más desarrolladas de las teorías

sobre

com-

bustión es la de propagación de llamas en gases reactantes

pre-

mezclados en ausencia de gravedad, pero basta

gran

diferencia

que existe

en el perfil

observar

de la llama

la

según

que

el

frente se propague hacia arriba o hacia abajo, para darse cuenta de la importancia de la gravedad. En el estudio de llamas

lami-

nares se han detectado tres tipos de inestabilidades cuyo análisis conviene separar: 1) inestabilidades de Rayleigh-Tay1 o r , si las capas más densas están por encima de capas más inestabilidades

f 1 uidodinámicas

Markstein, y 3) inestabilidades

del

ligeras, 2)

tipo de las de Landau

asociadas

al proceso

o

de difu-

sión, descritas por Sivashinsky.

En los experimentos en la Tierra se observa, además, que los limites de inflamabilidad y extinción de las

llamas varian

según

ésta se propague hacia arriba o hacia abajo.

1.6.4. Separación biológica por electroforesis

Las macrornolécu1 as y células

vivas

se mueven

acuosas donde existen además infinidad

en

disoluciones

de pequeñas moléculas e

iones. Un gran número de estudios sobre identificación, análisis de estructura y propiedades de estas partículas una adecuada separación de las especies

está basado

de interés

gran numero de compuestos presentes. La introducción

de entre

en el

de la téc-

nica de electrofores is (separación por e l e c t r i c i d a d ) por Tise-

-30lius en los años 30 para la separación de proteínas

del

plasma

marca el inicio de una nueva era en este campo (es sorprendente que en tan pocos años haya pasado a ser un análiis rutinario

en

la mayoría de los centros clínicos).

La elect rof ores is se basa en el movimiento

de partículas

gadas en un fluido bajo la acción de un campo eléctrico

car-

aplica-

do. La separación de componentes en una mezcla tiene lugar debido a que la carga o el tamaño es diferente de unas partículas a otras, por lo que la movilidad es también diferente. Sin go, en presencia

de la gravedad

terrestre

viene distorsionada por las corrientes

embar-

la e 1 ectroforesis

de convección

Actualmente se disminuye este efecto trabajando

con

natural.

substratos

más viscosos, o reduciendo el tamaño de la m u e s t r a , pero soluciones disminuyen aparatos se eleva calentamiento

la velocidad

la diferencia

de separación. En

ambas

algunos

de potencial m o t r i z , pero el

(efecto Joule) que ello produce acelera aún más el

proceso convectivo. Modernamente se trabaja a voltajes y con baja concentración de iones en la disolución es posible, ya que para

células v i v a s , la baja

iónica puede no ser capaz de mantener

elevados

(cuando

ello

concentración

el metabolismo

fisioló-

gico) .

Eliminando o reduciendo drásticamente la convección, se trabajar con muestras mayores

y a mayor velocidad;

el

podría voltaje

motriz puede ser pequeño, permitiendo el uso de disoluciones gran conductividad, acercándose a la tonicidad fisiológica.

de Sin

embargo, los ensayos previos en ingravidez indican que es nece-

-31-

sario un vasto programa

de i n v e s t i g a c i ó n

definción

antes

de o b j e t i v o s

de

en

tierra

embarcarse

en

y una

el

mejor

laboratorio

espac ial.

1.6.5. P r o c e s o s en

levitación

A v e c e s es importante paredes

del

reaccionen

el c o n t a c t o

o recipiente

químicamente,

nucleación,

En

crisol

evitar

de

la m u e s t r a

contenedor

se c o n t a m i n e ,

se

para

altere

con

las

impedir

que

el

proceso

etc.

la Tierra

sólo

se consigue

la l e v i t a c i ó n

licas

conductoras

en un campo

e l e c t r o m a g n é t i c o , y aun

recen

problemas

(ondas

nes

de presión

demasiado

orbitales

estacionarias) o fluidodinámicos

n a v e ) por trol

de

a d e c u a d o s , dando

importantes

(perturbaciones

lo que bastará posición

de

disponer

la m u e s t r a

f l u i d o d i n á m i c o , e incluso como

(convección

la fuerza neta que actúa

es p e q u e ñ í s i m a

para m u e s t r a s

lugar

sobre

iniciales de un

(corriente

En

ligero

secun-

a

ensayar

maniobra sistema

(electromagnético,

de c o n t a c t o , como utilizar

de

condicio-

la m a s a

o de

apa-

acústicos

a efectos

forzada).

metá-

asi,

de c a l e n t a m i e n t o . Los p r o c e d i m i e n t o s

a i r e ) son todavía m e n o s darios

de

de

de

la

con-

acústico, una

varilla

soporte) .

De entre trabajo física

los procesos sin paredes

que

aparte

se b e n e f i c i a r í a n

de estas

de los ya m e n c i o n a d o s

de f l u i d o s , se pueden

citar:

en

técnicas

de

la

de

parte

-32-

Suspensión

de

aerosoles

En cierto m o d o , un aerosol de

pequeños

mantenidas

contenedorres

aisladas

por

medicina

y biología

procesos

simultáneos.

aerosoles

puede

considerarse

(gotas

las fuerzas

es a veces En

la

con el t i e m p o : para

de

una

de

tensión

deseable

Tierra gotas

como

décima

un de

gravedad

de unas

milímetro

superficial).

experimentar

la

conjunto

con

este

po de " v i d a " es de tan sólo unas h o r a s . Las n e c e s i d a d e s e m b a r g o , m a y o r e s : por e j e m p l o , para cos

se requiere m a n t e n e r

neo de gotas de unas ble en ingravidez

la p r o d u c c i ó n

durante varios

(y si los choques

de

entre

no

tiem-

antibiótihomogé-

sólo p a r e c e

gotas

los

son, sin

días un a e r o s o l

50 a 100 m i e r a s , lo cual

muchos

precipita

10 mieras

En

dan

posi-

lugar

a

aglomerados).

Preparación

de v i d r i o s

Los v i d r i o s

se forman

masa

fundida

nucleación utilizadas yoría

y materiales

cuando

la velocidad

es lo s u f i c i e n t e m e n t e y crecimiento

con el platino

de

los v i d r i o s

este

ataque

da

lugar

e j e m p l o , se t r a t a

de

no

es

obtener

como para

de

Las con

como c r i s o l e s ;

(de los u t i l i z a d o s

en los

una

la

ma-

incluso

silicatos.

importante,

vidrios

la

mezclas

o r d i n a r i o s , la c o n t a m i n a c i ó n muy

de

impedir

reaccionan

que puedan usarse

comerciales

de e n f r i a m i e n t o

apreciable.

vidrios

si se trata de v i d r i o s

Para

alta potencia

rápida

cristalino

en la p r e p a r a c i ó n

de las sustancias

cerámicos

para

pero

lentes

a

que

cuando,

por

de

experimentos

láser de

de

fusión

-33nuclear con láser) los requerimientos de calidad

están

encima de las posibilidades actuales, que es preciso las ventajas que ofrecerla la ausencia de crisol

tan

por

investigar

trabajando

en

ingravidez.

Existen varias teorías sobre la formación de vidrios

de un

solo

componente en las que se proponen curvas de transformación

tem-

peratura-tiempo, mostrando el tiempo necesario

para

la nuclea-

ción homogénea para una temperatura elegida, y el grado de

cre-

cimiento cristalino

Para

(hasta una fracción de la masa t o t a l ) .

conseguir esta nucleación homogénea habría que evitar la nucleación en las paredes del crisol, lo cual no es posible en la Tierra, pero si en el espacio, donde se podrán

obtener

los vidrios perfectos que exige la tecnología

y

óptica

estudiar avanzada.

Por otra parte, algunos materiales cerámicos que se obtienen por sinterización a alta temperatura resultan muy

contaminados

por

las paredes en los procesos en la Tierra.

Termodinámica a altas

temperaturas

Los estudios con líquidos a alta temperatura han estado

limita-

dos por los efectos contaminantes de los contenedores. Es necesario completar las tablas termodinámicas de entalpias, específicos, calores de transformación y densidades, y el equilibrio de fases por encima de 1000

C para

calores estudiar

prácticamente

todos los líquidos, en especial para el silicio, los óxidos fractarios, carburos y nitruros.

re-

-34Además, la posibilidad

de alcanzar muy

muestras no confinadas

permite

altas

temperaturas

purificar materiales

poración de las impurezas más v o l á t i l e s . Existen tante d e s a r r o l l a d a s , que

incluso

tienen

por eva-

teorías

en c u e n t a

en

bas-

posibles

reacciones químicas durante la evaporación.

1.7. RESOLTADOS Y CONCLUSIONES

Nos vamos a limitar aquí a comentar algunos de los espectaculares resultados obtenidos en el Spacelab-1. Pero antes

conviene

precisar que este vuelo no era "operacional", sino de verificación del acoplamiento Shut t le/ Space lab y de d e m o s t r a c i ó n , asi se acordó en el protocolo de colaboración NASA/ESA En efecto, el 28 de Noviembre de 1983, tras varios

como

de 1973.

años de re-

traso, tuvo lugar el primer vuelo del Spacelab, que duró 10 dias (los vuelos normales son de una semana). De los 70 grandes experimentos programados, uno era el de "Ciencia de los materiales", bajo cuyo nombre se realizaron cientos de pequeños (entre ellos uno español, sobre

estabilidad

experimentos

de zonas

liquidas

flotantes).

Se lograron dos muestras de cristales grandes de proteinas, 30 y 1000 veces mayores

que en la Tierra, r e s p e c t i v a m e n t e ,

lo que

aquí es imposible debido a su fragilidad, pues las corrientes de convección o la estructura del gel usado, los rompen. La

impor-

tancia es enorme, pues se posibilita con ello el estudio de su complicada estructura por difracción con rayos X.

-35-

Tampoco se pueden obtener en la Tierra ciertas aleaciones de metales muy diferentes, debido a la segregación microscópica la gravedad causa

durante

la solidificación.

que

Sin e m b a r g o , en

este caso los resultados mostraron que se trata de una

segrega-

ción intrínseca, no dominada por la gravedad. Otro hallazgo más.

En otro experimento se observó un fuerte aumento de la velocidad de migración térmica en ingravidez, lo que hace pensar separación de isótopos en fase

que

liquida, que actualmente

la

es un

proceso muy ineficiente, puede mejorarse mucho.

En resumen, muchos de los métodos usados actualmente

en el pro-

ceso de materiales, sobre todo en las técnicas modernas

de

cre-

cimiento de cristales de semiconductores, han sido desarrollados empíricamente con una falta de entendimiento teórico que se hace notar cada vez más. Los procesos son complicados porque en ellos intervienen varias fases, geometrías de poca simetría, campos de temperaturas no uniformes, etc.; además, la gravedad

terrestre

introduce complicaciones adicioales por las inestabilidades origina en las fases fluidas, en las que aparecen corrientes convección que enmascaran en gran parte La experimentación en las condiciones

los fenómenos

de

básicos.

de m i c r o gr avedad

laboratorios orbitales permite la contrastación

que

de

de teorías

los bá-

sicas que no tienen en cuenta corrientes de convección ni efectos hidrostáticos.

Se podría mencionar como ultimo ejemplo que

las variaciones

de

-36la resistividad a través de una lámina de silicio comercial

(que

vale a 50 000 Pts/kg) puede ser del 10% o el 2 0 % , mientras

que

los requerimientos para aplicaciones comunes (transistores, diodos, sensores y circuitos integrados) van aumentando

sin

cesar.

El volumen de consumo de estos materiales crece a un ritmo vertiginoso, y en orden a mejorar la relación calidad/precio, necesario un diseño apropiado de experimentos

sencillos

será

y cla-

ros, en un esfuerzo conjunto de científicos y técnicos para lograr un entendimiento más perfecto de los procesos

fundamentales

de obtención y tratamiento de materiales en la Tierra.

Finalmente, conviene recordar que, aparte de estos logros

cien-

tíficos que se van consiguiendo y su influencia en la tegnologia terrestre a ellos asociada, existe un beneficio tecnológico

pa-

ralelo que en este caso, por ejemplo, ha contribuido a que Europa, que no supo despertar a tiempo a la revolución microelectrónica, siga siendo competitiva en tecnología aeroespacial.

-37-

2. COLUMNAS LIQUIDAS NO AXILSIMETRICAS

-3 8-

2. COLUMNAS LIQUIDAS NO AXILSIMETRICAS

2.1. INTRODUCCIÓN

Recientemente

han

sido publicados

un número

significativo

de

artículos tanto teóricos como experimentales relacionados con el comportamiento

de puentes

gravedad. El interés

líquidos

de tales

en

condiciones

publicaciones

reside

de

baja

en que

la

configuración estudiada es, desde un punto de vista estrictamente mecánico, semejante a la que aparece en el proceso de producción de monocristales mediante la técnica En la mayoría de los trabajos publicados la literatura Sanz

en este

campo

(1985)) se consideran

sometidos a perturbaciones

se puede puentes

de la zona

(una breve revisión

encontrar líquidos

en Meseguer

de &

axi 1 s i m é t r i c o s

a x i 1 s imé t r i c a s , y tan sólo en unos

pocos casos se han tenido en cuenta

efectos

no axi 1simétricos

tales como el modo C en rotación (Vega y Perales pequeña microgravedad

flotante.

transversal

(1983)) o una

(Coriell, H a r d y

&

Cordes

(1976, 1977)).

Tanto

los análisis

teóricos

como

la evidencia

experimental

parecen apuntar que los efectos de las perturbaciones no axilsimétricas son mucho menos

importantes

que

los asociados

a las

perturbaciones axi1simétricas. Por e j e m p l o , en el articulo Coriell et al (1976) se demuestra que el efecto

de una

gravedad transversal sobre el limite de estabilidad

de

de

pequeña puentes

líquidos esbeltos de volumen cilindrico es del orden del cuadrado de la perturbación, siendo por tanto de menor importancia que

-agios efectos producidos por perturbaciones

axi 1simétricas

tales

como el exceso o defecto de volumen respecto al cilindrico microgravedad axial o la pequeña desigualdad

y la

en el diámetro

los discos, cuyos efectos son del orden de la perturbación

de

para

el primer caso y del orden de la perturbación elevada a 3/2 para los otros dos (Meseguer

(1984)).

Para obtener los limites de estabilidad y las formas de equilibrio en este articulo se emplea un método asintótico

de pertur-

baciones con la ayuda de la idea de la ecuación de b i f u r c a c i ó n , ya utilizada

para

obtener

el limite

de estabilidad

de

flotantes en isorotación por Vega y Perales (1983). Este simplifica grandemente aparece

la obtención

una bifurcación

discernir

el carácter

de

los puntos

(subcritico

método

en los

de la solución, p e r m i t i e n d o

de ésta

zonas

que

además

o supercritico) y

obtener las formas de equiibrio tanto estables como inestables.

A d e m á s , con el estudio

de las simetrías

problema es posible obtener

el orden

que

aparecen

de la m o d i f i c a c i ó n

en

el

de la

máxima longitud estable de una zona debido a un tipo determinado de perturbación

sin resolver

el problema

propiamente

dicho.

2.2. PLANTEAMIENTO GENERAL DEL PROBLEMA

Se considera el caso de una columna entre

dos discos

circulares

de

liquida

radio

(Fig.

1) situada

R Q separados

distancia L cuyos ejes son paralelos entre si y están

por

una

separados

- 4 0-

una

d i s t a n c i a

2E .

correspondiente base

uno

TTRQL)

Sea

.

de

La

los

en

de

volumen

una

discos

columna

R = R(Z,6)

encuentra

al

El

está

la

y

por

del

de

la

a

e s t a

una

la

de

en

que

la

gravedad

i n t e r f a s e .

equilibrio

columna

cilindrica

altura

sometida

forma

reposo,

columna

de

el

es

el

tuviese

por

columna

(V

transversal

Si

interior

el

fluido

de

la

zona

= g.

se se

ob t i e n e

P

(2.1)

- pgy = P(

y teniendo en cuenta que en la interfase y = Rcos0, del

equili-

brio de ésta se deduce

o(l/R1

+ 1/R2) + P Q + pgRcose = 0

(2.2)

PQ es una constante, desconocida en principio, que fija el nivel de presiones dentro de la zona, para obtener su valor hará falta fijar el volumen del liquido contenido en la zona. L/2

r2n

dZ R 2 (Z,9)d6 = 2TTLR 0 -L/2 0 La condición de anclaje

(2.3)

en los bordes

de los discos

se

puede

expresar como:

R( L/2,6) =

R(-L/2,0) =

EcosS +

-Ecos6

V«T

+VRQ

E2sin26

(2.4)

E2sin26

(2.5)

-41-

Además, la forma de la interfase ha de ser periódica en 9

R(Z,6) = R(Z,e+27T)

Ahora

se

adimensiona1 izan

(2.6)

todas

las

longitudes

con

RQ y

se

define

A =

L/2R,

(2.7)

E =

E/Rf

(2.8)

B =

PgRo/a

(2.9)

z =

Z/Rr

P =

(P0

F(z,e)

M[F]

(2.10)

-

(2.11)

Pa)R0/a

= R(z,e)/R

= R0(l/R1

+

( 2 . 12)

o 1/R2)

donde A es la esbeltez de la zona, E la excentricidad

(2.13)

adimensio-

nal, B el número de Bond debido a la gravedad y P es la

presión

de referencia adimensional.

El problema en forma adimensional queda:

M[F] + P + BFcose = 0

(2.14)

•42

(-27T

•A

dz

F

-A

2

(z

5

e)d6

= 4TTA

( 2 . 15)

O

F( A , e )

=

F(-A,e)

= -Ecose

F(z,6)

Ecose

+ ^ 1

-

+ \ / l - E

E^sin26

(2.16)

2

(2.17)

s i n

2

e

= F(z,e+2Tr)

F

( 2 . 18)

(1+FzHFee"F)+FFZz(F2+FÍ)-2Fe(Fe+FFzFez)

M[F] =



(2.19)

(F2(l+F2)+F2)3/2

ORDEN DE LA BIFURCACIÓN

CON GRAVEDAD TRANSVERSAL

O CON

DISCOS NO COAXIALES

Si se buscan soluciones del tipo

F(z,e) = l + ef(z,e) + o(e)

P=

l+ep

+ o(e)

El problema lineal a resolver en este caso será:

f + f

+ f 2z

ee+ P " °

f(±A,e) = 0

(3

-1} (3.2)

•43-

f(z,e) = f(z,e + 2TT) A

(3.3)

(2TT

dz f(z,e)de = o -A Jo

(3.4)

Todas las soluciones a este problema son axi1simétricas. Las hay de dos tipos, para A = kiT , (k=l,2,...)

f(z,6) = sin(k7Tz/A)

y para A = A k

con A k

(3.5)

p = 0

tal que cumpla Ai. - tanAu = 0

(3.6)

f(z,9) = -p(l-cosz/cosA)

La bifurcación

a formas

de equilibrio

no cilindricas

axi 1 s imé tricas) ocurrirá por tanto cerca de A = ku o A embargo el mayor

interés

lo tiene

para el menor de estos valores

la bifurcación

críticos

(aunque =

que

de la esbeltez

que para este valor las formas de equilibrio

casi

^k" ^''"n aparece puesto

cilindricas

pasan de ser estables a ser inestables, las demás bifurcaciones no serán alcanzables en la realidad puesto

que

la zona

romperá

antes.

Por tanto la inestabilidad

aparecerá

para A

= T

y las

formas

inestables serán de la forma:

p = 0

f(z,0) = sinz

La presencia de una pequeña

gravedad

transversal

(3.7)

o de una no

-44-

coaxialidad aparece nuevo

la

de

los

rotura.

parámetro

discos Es

disminuye

conveniente

medir

la

esbeltez

dicha

para

la

disminución

que

con

un

X.

A = ( TT - A c ) / *

(3.8)

En lugar de utilizar la variable z es conveniente utilizar simplificar una nueva variable x, (cuya introducción

para

normaliza

las condiciones de contorno) definida por:

x = z/(l - X)

(3.9)

Con estos cambios el problema queda en la forma

M[F]

+ P + BFcose

(3.10)

27T

TT

dx -TT

= 0

F

2

(x,e)d6

4TT 2

( 3 . 11)

+ 2TT)

( 3 . 12)

=

'

F(x,0)

= F(x,6

F(TT , 6 ) =

Ecos6

+ Vi

-

E2sin26

=

1 + Ecos6

-

(l/2)E

2

sin

2

0

+

(3.13)

F(-^,e)=-Ecos6 +

1 - E 2 s i n 2 6 = 1 - EcosG - ( l / 2 ) E 2 s i n 2 6

+

(3.14)

Si ahora se prueban soluciones del tipo

-45-

F ( x , 0 ) = 1 + esinx +

g(x,0)

P = 1 + p

el problema

M[l

+

se reduce

esinx

a:

+ g(x,6)]

+

1 + p + B(l

+

esinx

+ g(x,6))cos0

= 0

(3.15) 2TT

dx

(1 +

• ir

esinx

+ g(x,0))¿de

= g(x,e

( TT ,6) =

+ 2TT)

(3.17)

- E2sin20

Ecos6 + V i

- E2sin26

g(-7T,e) = -Ecos6 + V i

es n e c e s a r i o

quede u n í v o c a m e n t e TT

(3.16)

0

g(x,e)

además

= 4TT'

- 1

(3.18)

- 1

añadir una c o n d i c i ó n

(3.19)

para

que el p a r á m e t r o

£

definido:

,2TT

dx g ( x , 0 ) s i n x d 9 = 0

(3.20)

-TT J 0 El

problema

términos

de

asi

planteado

B y E.

Para

permite

B - ^ 0 y E - ^ 0 e l

resolver m e d i a n t e

técnicas

anticipar

propiedades

utiliza

ciertas

calcular

de p e r t u r b a c i ó n ,

la idea de la ecuación

e, g ( x , 6 )

problema pero

de la s o l u c i ó n . de b i f u r c a c i ó n

ésto

Para

se

y p

puede

obliga

evitarlo

(Matkowski

en

a se

& Reiss

-46(1977),

Vega y Perales

(1983).

En

lugar

de

la

Ec.

3.15

se

considera la ecuación:

M[l + esinx + g(x,6)] + 1 + p + B(l + esinx + g(x,e))cos6 + 0sinx = 0

(3.21)

obsérvese que en esta ecuación si 0 = 0 se recupera el

problema

original.

Como el sistema de ecuaciones 3.16-3.21 definen únicamente

0, g

y p

0 = 0(e,B,E,X)

g = g(x,0;£,B,E,X)

p = p(e,B,E,A) (3.22)

las soluciones de este sistema serán las del sistema original si £,B,E,X

cumplen:

0(e,B,E,X) = 0

(3.23)

que es la ecuación de bifurcación del problema.

El problema es invariante bajo las simetrias

x

-v -x

x ->- -x

£ -> - £

6-+9+TT

E ^ - E

0 -> -0

£->--£

B ^ - B

0->-0

-47-

e->e+7T

B ^ - B

E ^ - E

de donde se deduce que

0(e,B,E,A) = -0(-e,B,-E,X)

(3.24)

0(e,B,E,A) = -0(-e,-B,E,A)

(3.25)

0(e J B,E,A) =

(3.26)

0(e,-B,-E,A)

Vamos a analizar por separado los casos B=0, E^O y B^O, E=0

sin

tomar en consideración efectos cruzados entre B y E. Para B = 0 , E^O de las relaciones anteriormente obtenidas se deduce

0(e,O,E,A) = e ) á 1 (e 2 ,E 2 ) A) « 0 3 O O O e 3

+



1020£E2

+0

lOOleA

+

(3.27)

y análogamente para B^O, E=0

0(e,B,O,A)

= £(á2(£2,B2,A ) = 0 3 o o O e 3

+

e>

1200eB2

+0

lOOleA

+

(3.28)

La esbeltez critica variará por tanto en la forma

A

= -(0m o n / 0^1001 inni)E2 1020'

"

( 0 11200 - > n n/,ü / 0 1001 i n m ) B2 +

como cabe esperar que disminuya por el efecto baciones 0 1 0 2 0 ^ 1 0 0 1 y ^ 1 2 0 0 ^ 1 0 0 1 deben de

ser

...

de estas

(3.29)

pertur-

ambos negativos

-48-

2.4. BIFURCACIÓN PARA UNA PEQUEÑA EXCENTRICIDAD

DE LOS EJES

DE

LOS DISCOS

Si en las ecuaciones

0(e,B,E,A)

=

se introducen

£ÍBjEkA10

l

los desarrollos:

(4.1)

X

i , 3=1 k ,1= 1 g(x,e5e,B,E,X)

=

eiü'Í-Ek\1gi

l

(x,9)

i k l

(4.2)

k,l =l p(e,B,E5A)

=

£ Í

l

BjEkA1p.

(4.3)

i,:=i k,l =l y

se

iguala

sistema 0

ijki>

el

coeficiente

de p r o b l e m a s gijki

( x

»

e )

y

de

cada

lineales

potencia

recursivos

a cero que

se

obtiene

permite

un

calcular

Pijki-

Los resultados que se obtienen son:

SlOOO^'9^

=

g

9 )

=

"

gOOOl(x'0)

=

°

g0010^x'9^

=

g

1 0 1 0

(x,e)

=

g

0 0 2 0

(x59)

= (l/47T2)cos20(x2

g

0 1 0 0

(x,e)

=

2000

( x

'

s i n x

( 1

/

4 )

(1/2)(TT

g

=

-(ir2/4)(l +(l/4)(x

2

+ cosx) -

+

(1/TT)COS6(1

= -(xcosx

(x,e)

(l/4)cos2x

(x/fOcose

gi-iQQ(x,0) 0 2 0 0

+

2

-X

2

+ 1 -

Ch/3x/Ch/3ir)

-

(1/4TT2)

2 X

)COS6

+ x -

-(1/16)(TT

+

2

cosx)

-

[(1/16)(TT

3sinx)cos8 x

2

2

-

TT2Ch/Jx/Ch/JiT) ] c o s 2 6

)

2

x

(3/4)(x2

+ 2

)

2

+

+

(1/6)(1

TT2COSX)

-

-

Ch/Jx/Ch/J

TT) +

•M-9 -

0

1000

0

0

OO11

=

0

3OOO

=

0

1001 =

0

2OOO ~ 0 OOO1 ~

OO2O

=

0

O1OO

=

0

0

OOO2 ~ 0 OO1O " 0 1O1O " °

O1O1

=

0

llOO

=

0

O2OO

=

°

"3/2 2

2 0in9n 1020 = -3/2-ff .2 7T^/2 1200

2.5. RESULTADOS Y CONCLUSIONES

De

los resultados

anteriores

se

deduce

que

la

ecuación

de

b i furcae ion es

e(-(3/2)e 2 + 2A - (3/2^ 2 )E 2 - ( T T 2 / 2 ) B 2 + ...) = 0

(5.1)

Para E = cte y B = cte las curvas e = f(A) están esquematizadas en la figura 2.

Para

e ~ 0 la esbeltez cambia en la forma:

X = (3/4u 2 )E 2 + U 2 / 4 ) B 2 + ...

(5.2)

Además del estudio de la simetría de la configuración, se

puede

deducir que no existe un término de orden BE. Este estudio independiente del ángulo que existe entre el plano los ejes de los dos

discos

y

la

dirección

de

que la

definen gravedad

transversal. Por tanto la expresión obtenida anteriormente siendo válida

aunque

dicho ángulo

sea d i s t i n t o

de

es

sigue

cero.

El

efecto

para

Cordes

Como

E=0,

B^O y a

habla

sido

obtenido

por

Coriell,

Hardy &

(1976).

consecuencia

bifurcación principio serán

es

del

observa

s u b c r i t i c a

cambio

estables

Ac=

se

para

de

por

esbelteces

-

U

2

en

las

menores

/4)B

todos

tanto,

estabilidad

(3/4^2)E2

TT(1 -

y

que,

2

de

+

la

casos,

acuerdo

formas que

los

casi

la

con

el

cilindricas

critica,

de

valor

...)

(5.3)

Las formas estables de equilibrio serán de la forma:

F(x,e) = i + Eg0010(x,e) + E2g0020(x,e) + + Bg0100(x,e) + B2g0200(x,e) + . . .

Se

puede

una

no

observar

por

puede

otros ser

axi1simétrica

afecta

dinámica

Todo en

lo

los

tipos

de

de

la

en

la

esbeltez

discos

es

siempre

e x i s t a

de

los

de

perturbaciones en

que

el

pudiéndose

discos

apreci ab1 emente

a

la

mayor

pequeña parte

orden

de

alguna la

debido

a

que

el

y

por

axilsim¿tricas

a n á l i s i s

hacer

o una

critica

resultados

p e r t u r b a c i ó n

hipótesis gravedad

de

que

un

transversal

axi 1simétrica

de

la

zona.

anterior

reposo.

efecto

de

relevante,

descentramiento

cambio

despreciado

experimentales

no

el

coaxi 1i a 1idad

producido tanto

que

(5.4)

Debe

acoplado

ha de

sido

teniendo

considerarse

entre

la

en en

rotación

cuenta

que

la

posteriores y

las

zona

se

halla

estudios

el

perturbaciones

no

-51axi1simetricas . Este

efecto

es de esperar

que amplifique

deformaciones producidas por las perturbaciones y que

las

disminuya

aun más la esbeltez critica.

2.6. REFERENCIAS

1. Meseguer, J. and Sanz, A., "Numerical and experimental of the dynamics

of axisymmetric

liquid

b r i d g e s " , J.

study Fluid

Mech. 153, 83-101, 1985

2. Vega, J.M. and Perales, J.M.,

"Almost cylindrical

isorotating

liquid bridges for small Bond numbers", in Materials

Sciences

under Microgravity ESA SP-191, 247-252, 1983.

3. Coriell, S.R., Hardy, S.C. and Cordes, M.R., weightless crystal growth", NBS

Space

"Melt

Processing

shape

in

Research,

NBSIR 76-980, 1976.

4. Coriell, S.R., Hardy, S.C. liquid zones", J. Colloid

and

C o r d e s , M.R.,

Interface

"Stability

of

Sci 6 0 , 126-136, 1977.

5. Meseguer, J., "Stability of long liquid columns", in Material Sciences under Microgravity ESA SP-222, 297-300, 1984.

6. Matkowsky,

B.J.

R e i s s , E.L., "Singular

pert u r b a ti ons

bifurcations", SIAM J. Appl. Math. 33, 230-255, 1977.

of

•52-

Fig. 1. Geometría, nomenclatura y sistema de coordenadas utilizado.

\ ^ B = E =0

\

E*0

N TI

y/ y

Fig. 2. Modificación de la bifurcación para un d e s c e n t r a m i e n t o o una pequeña gravedad t r a n s v e r s a l . Se r e p r e s e n t a l a amplitud de l a deformación adimensional, £ , frente a l a esbeltez de l a zona, A=L/D, con E=E/R n , y B^pgf£/o-.

-53-

3. COLUMNAS LIQUIDAS COMPUESTAS

-54

3. COLUMNAS

LIQUIDAS

Prosiguiendo quidas lidad

con el análisis

de

columnas

consiste

discos

liquidas

en una

La n a t u r a l e z a de las

con

condiciones

el análisis

primera

fase

En

el

trabajo

estabilidad

lineal

unidimensional resultados cuanto

en el m a n e j o

a

lo m á s la

al

L

otra

esperado

en

a tenor

of

vista

estudia de un

la

modelo Los

sorprendentes

por

de

la

empleado

se

experiencia

siguiendo

a la critica

este

Fluid

de

simples.

pues,

realizado

infinita-

afines.

por el m o d e l o

inglés

posible,

Journal

se

problemas

líquidos

esta

compuestos.

c o m p u e s t o , a través

predicho

aconsejó y en

punto

a continuación,

en

columna

la c o m p l e -

discos,

un

capilares

en

(Fig. 1 ) .

compuestas

desde

estabi-

mantenida

condición,

extremadamente

el trabajo

revista

que,

de puentes

amplio

D^

los

esta

con éxito

son

presenta

de someter

científico enviado

no

en

colummnas

chorros

ya u t i l i z a d o

se

de

la

li-

configuración

en su interior

contorno

de un chorro

obtenidos

manuscrito

política

longitud

presenta

razonablemente

adquirida

flotante

relajando

que el c o m p o r t a m i e n t o

ajusta

El

teórico

se

de

en e s t u d i o , p r i n c i p a l m e n t e de

llamarse

que

estudio La

configuraciones

f o r m a l , deberian

de c o l u m n a s

compuestas.

se han c o n s i d e r a d o

largas,

el

la p r i m e r a , de d i á m e t r o

del p r o b l e m a

iniciar

mente

zona

ahora

de d i á m e t r o D que aloja

l i q u i d a , coaxial

jidad

del c o m p o r t a m i e n t o

en i n g r a v i d e z , se aborda

estudio entre

COMPUESTAS

la

de un

foro

ha

sido

donde

será

manuscrito

Mechanics,

con

-55 publicado próximamente October

1985).

(J. Fluid

M e c h . , V o l . 159, pp.

Por esta razón, y a efectos

publicación, se ha intentado

relacionar

de

55-68,

facilitar

el problema

su

analizado

con otros problemas semejantes de interés, tal es el caso de la técnica de impresión llamada de chorro c o m p u e s t o , sobre

la que

existe un numero significativo de trabajos publicados.

En el apartado

e x p e r i m e n t a l , los resultados

obtenidos

sido los esperados. El manejo de columnas compuestas isodenso presenta tal cumulo de dificultades

no han

en un baño

que, hoy

por

hoy,

no es posible la experimentación cuantitativa. El mayor problema en el manejo de una configuración fluida tan sofisticada como es una columna compuesta, aparte de las dificultades

de

formación

del puente compuesto, aspecto éste casi totalmente

solucionado,

es el control del nivel de microgravedad residual y la forma

en

que esta microgravedad afecta a las diferentes entrefases.

Como consecuencia de lo expuesto, y a la vista de las

precarias

condiciones e x p e r i m e n t a l e s , se abrió un periodo

de

reflexión

para reconsiderar los objetivos del plan experimental

propuesto

y su posible redefinición. La conclusión

fue

la de

previo

en el

intrínsecos

de la

alcanzada

reconocer la necesidad de un programa experimenal que se analizaran indicadores de estabilidad zona flotante y teniendo en cuenta

efectos

resultados

en

obtenidos

"Experiments with

se m u e s t r a n

liquid

bridges

aceptado para su publicación

el

gravitatori os . Los segundo

in simulated

en el Journal

manuscrito

microgravity",

of Crystal

Growth.

56-

3

2

Fig. 1. Columna liquida compuesta. 1) Liquido

3

de trabajo

rior; 2) liquido de trabajo exterior; 3) ambiente.

inte

-57-

Apéndice 1: ONE-DIMENSIONAL LINEAR ANALYSIS OF THE COMPOÜND JET

-58-

One-dimensional linear analysis of the compound jet

BY ÁNGEL SANZ AND JOSÉ MESEGUER Laboratorio de Aerodinámica, E.T.S.I. Aeronáuticos, Universidad Politécnica, 28040 Madrid, Spain.

The stability of an infinitely-long compound liquid column is analyzed by using a one-dimensional inviscid slice model. Results obtained from this dimensional linear analysis are applicable to the study of compound

one-

capillary

jets, which are used in the ink-jet printing technique. Stability limits and the breaking regimes of such fluid configurations are established and, whenever possible, theoretical results are compared with experimental ones.

1. Introduction During the last two decades fine jets of ink have been increasingly used for printing purposes. Developments in ink-jet technology have motivated scientist to investigate the details of the breaking

numerous

of capillary

jets

emanating from nozzles. A review of the state of the art in this field at the end of the 70's can be found in Bogy (1979). This review should be completed by adding some significant papers published further: Chaudhary & Redekopp

(1980),

Bogy (1981), Entov & Yarin (1984), among others. Recently, a new ink-jet printing method

(the compound

j e t ) has

been

developed at the Lund Institute of Technology in Sweden (Hermanrud & Hertz 1979, Hermanrud 1981, Hertz & Hermanrud 1983). A compound jet, as sketched in figure 1, is generated as follows: assume a fine nozzle submerged below the surface of a stationary fluid

(ink). By forcing a suitable "inner" fluid

through this nozzle under high pressure a liquid-onto-liquid

jet is generated

in the stationary fluid (the "outer" fluid). Due to viscous forces the outer fluid will be accelerated by the inner fluid cióse to the interface between the

-59-

two fluids. Therefore, when the jet emerges into the air it consists of a cylindrical core of fluid (the inner jet) surrounded by a concentric layer of different fluid (the outer jet) both traveling at essentially the same speed. Published papers concerning compound jets deal mainly with experimental work. Theoretical developments in this field are limited to rough analyses which are quite far from the sophisticated studies on single capillary

jets.

However, regarding the partial similarity between compound jets and compound liquid columns, the work of Bauer (1982) and Sanz (1983) should be quoted. In the first paper the linear stability of a infinitely-long liquid column is analyzed by using a three-dimensional model based on previous work of Tomotika (1935), whereas the second is devoted to the study of liquid bridges surrounded by another liquid. In this paper the linear stability of the compound jet is studied through a one-dimensional inviscid model which is a generalization of that of Lee for single capillary jets. This model has been selected instead

(1974)

of more

complicated one-dimensional models (Weber 1931, Green 1976, Entov & Yarin 1984) because, in spite of its relative simplicity, the results obtained are in agreement with experimental evidence either in the case of single capillary jets (Pimbley & Lee 1977) or in the case of slender liquid bridges 1983, Meseguer & Sanz 1984). Amongst the different types of appearing in a compound jet (Hertz & Hermanrud instability only, which

is the more

(Sanz

instability

1983) we analyze capillary

interesting

in ink-jet

printing

applications in order to predict the size of the resulting drops after the jet breaking. The remaining instabilities (sinuous and varicose instability) are out of the scope of this paper, and they seem to be more easily faced by means of an experimental approach than a theoretical one. We assume that viscosity effects (if low viscosity liquids are involved) are important only in the nozzle región, where the compound jet is set up, and that these effects can be neglected in the study of capillary instability, which appears in a región far from the nozzle. A similar hypothesis is used in, for instance, the analysis of

-60-

the response of a boundary layer to a small disturbance: it is assumed not to be affected by the viscosity of the fluid, even though viscosity was of course essential for the seting up of the velocity distribution in the undisturbed boundary layer. Finally, theoretical results have been compared with available experimental results (Hertz & Hermanrud 1983) and a reasonable agreement has been found.

2. General equations for the one-dimensional compound jet According to Bogy (1979) the studies on capillary jet instability could be classified in two main categories: temporal instability and spatial instability analyses. Keller et al. (1973) stated the suitability of spatial

instability

analyses in describing the behaviour of capillary jets. These authors also verified the agreement between results obtained from the temporal or the spatial approach when the jet velocity is much higher than the capillary velocity, which is the case of the ink-jet printing. So that, in this paper we analyze temporal instability, since its formulation is simpler than that of spatial instability. To perform this study it must be assumed

that

the

reference system is moving with a velocity equal to the mean jet velocity, so that equations of motion become similar to that of a compound liquid column. Let us consider a compound jet as sketched in figure 1, and concéntrate on the región far enough from the nozzle. To carry out the analysis of this liquid configuration several assumptions are introduced: (a) internal movement in the compound jet is due only to capillary-pressure gradients generated by the deformation of interfaces; (b) the dynamics of the compound jet is not affected by the surrounding air; (c) since only axisymmetric configurations are considered, the problem is independent of the azimuthal coordinate; (d) both liquids are inviscid*, with constant and uniform

properties

(density and surface tensión); (e) in each of the liquids the axial velocity, as well as the pressure,

-61-

depends on the axial coordínate and the time, but not on the radial coordínate. This last hypothesis, which is the more drastic assumption introduced by the one-dimensional model, is justified in the case of compound jets because perturbation wavelenths involved in jet breaking are generally larger than the jet radius (Meseguer 1983, Sanz 1983). Under these hypotheses the equations of motion are drastically reduced. The radial momentum equation becomes uncoupled and the problem formulation reduces to the continuity equation and axial momentum equation, plus suitable

initial

and boundary conditions. To genérate the equation set for the compound jet the process is similar to that already described in Lee (1974), Meseguer (1983) and Sanz (1983). In the following, F^ stands for the interface radius, W^ for the axial velocity and P^

for pressure; p ^ and a^

are density

and

interfacial tensión, respectively. The superscript j denotes the liquid

("i"

for inner and " o " for outer, see figure 1) whereas the subscripts t and z indicate time and spatial derivatives, respectively. The equations for the compound jet are: (a) inner jet (al)

continuity equation ( F i 2 ) t + ( W i F i 2 ) z = 0.

(2.1)

* The effect of viscosity within the one-dimensional model used could be accounted for through an unsteady boundary layer at the interface between the two liquids, to accommodate the shear stresses and the velocity jump. The 1/2 thickness of this boundary layer would be 6 ^ ( V / T ) '

(Schlichting

1960),

where x is a characteristic dimensional growth factor and v the kinematic viscosity (almost the same in both liquids). As we shall see T ^ (p°/o°R° ) ' , where a°, p ° , and R° are the surface tensión, density, and radius of the outer jet, respectively. Thus t

+

[w o (F o2

_ Fi2)]z

= 0>

(2>3)

(b2) axial momentum equation W° + W°W° = -P°/p°. where P1, P Pi

_ po

(2.4)

and the external pressure P e are related through =

P° - P e = a°?(F°),

C^PCF1),

(2.5)

J>(FJ) = [1 + (FJ)2]"3/2{[1 + (FJ)2]/FJ - FJ z }.

(2.6)

To put these equations in non-dimensional form we take as reference the properties of the outer liquid: undisturbed interface radius R , density p°, and surface tensión a°. To that purpose, let introduce Fj

= RoFJ5

z

= R o- }

WJ = (a°/R°p°)1/2 WJ,

t = (p o R o3 /a o ) l/2- j

PJ = (a°/R°)pJ,

(2.7)

where the barred quantities are dimensionless. We introduce also the parameters R = R W ,

P

= pVp0,

a

= 0^-/0°,

(2.8)

R 1 being the undisturbed inner jet radius. Then, (2.1)-(2.6) yield the following dimensionless equations (with the bars dropped from now on) (F i 2 ) t + (W i F i 2 ) z = 0,

(2.9)

W* + W % ^ = -P^/P»

(2.10)

(Fo2 _ F i 2 ) t

+

[w o (F o2

_ F i2)] z

(2.11)

= 0j

W° + W°W° = -P°, Pi

. po

(2.12)

= a p( F i) s

(2.13)

P° - Pe =P(F°),

(2.14)

P(FJ) = [1 + (F z ) 2 ] -3/2 {[l + (Fz)2]/FJ - F z z } .

(2.15)

Note that F^ , W-*, t, etc. are now dimensionless variables, and that the undisturbed interface shapes are F In c o n c l u s i ó n , differential

the

problem

= R and F

formulation

e q u a t i o n s w h i c h , once i n i t i a l

=1. consists

of

four

and b o u n d a r y c o n d i t i o n s

non-linear are

fixed,

-63-

would allow calculating F 1 , F°, W 1 and W°.

3. Linear analysis Let e be a small parameter, measuring, for instance, the initial deviation of the outer interface shape from the cylindrical one. If e is small enough, leaving apart e

terms, the variables involved

in the problem may

be

rewritten as F 1 = R + ef 1 ,

F° = 1 + ef°, W 1 = ew 1 ,

W° = e w °, etc.

(3.1)

TP(F^) now takes the form

PíF1) = -| - £(fjz + fVR 2 ),

(3.2)

P(F°) = 1 - e(f°z + f°).

(3.3)

After substituting these expressions in (2.9)-(2.14) the following

linearized

problem is obtained 2f£ + Rw* =0, Pwt = « 0 (the compound jet becomes a

- with a single jet) the optimum condition for breakup is reached at m - I =r /2 máximum growth factor T

= 1//8", which are the same valúes that

those

calculated by Lee (1974) for the single jet. If R > ¿2 (R = /2 means both inner and outer Jiets have the same cross sectional área) Tm occurs at m

> 1 no

matter the valué of a; this seems to indicate that the breaking process will be determined by the outer interface. On the contrary, when R < / 2 the máximum growth factor occurs at m

< 1, roughly, and the breaking process is mainly

driven by the inner interface. II) Between ABC and A'BC', for each couple (R,a) there are two relative máxima. Since the inflection curve ABC vanishes at m points of the two máxima región can be only

reached

=1

when R = / 2 ,

from compound

jet

configurations having R < ¿2 and low valúes of cr. Of this two optimum breakup conditions, that having the highest valué of x

will develop faster and will

become dominant in the breaking process. When o -> 0 the highest x m~

% i/2~, but as a increases both valúes of x

occurs at

become of the same order

and, in a general case, elucidation of which one is dominant would require a more detailed analysis. When p f

1 the behaviour of the compound jet is similar to the described

above, the main discrepancies appearing cióse to m

= v2 where, even when

a ->• 0, the compound jet does not behave as a single jet. In this case, x increases as R grows when

P < 1 and the contrary occurs when p > 1. This

behaviour can be explained because of inner jet inertial effects which cause time evolution to be slow as the density ratio p grows.

-66-

4. Breaking regimes To discuss the possible breaking regimes of the compound jet we introduce two new parameters: the amplification, A = f1/f°, defined as the ratio of the máximum (or minimum) inner interface deformation to the máximum (or minimum) outer interface deformation, and the linear breaking time t-^. The amplification is calculated by eliminating w° between (3.6) and (3.7) as explained above. Thus, the following relationship is obtained Rf

tt = f?t+ t ( 1 - R 2 ) ( f - z Z + f z Z > - >

(4 1}

'

therefore, for each pair (x,m) = _ ! [ ! + ^ - R ? ( m 4 . m 2)]. (4.2) T . Concerning t^, according to expressions (3.1), (3.9) and (4.2), the time A

evolution of minimum inner and outer jet radius are, respectively F¿ = R - C6:AeTt,

F° = 1 - C e e xt .

(4.3)

In the following we assume C = 1, so that initial conditions are fixed only by the small parameter e. Inner jet breaking time is reached when the minimum radius vanishes, F* = 0, in consequence tí = -iln-S . D

T

(4.4)

EA

On the other hand, there are two possibilities in calculating t° depending on b whether the outer interface reaches the inner one or not, as sketched in figure 4. In the former case the breaking condition for the outer jet is 1 - eexp(xti ) = R - eAexp(xti), and the breaking time results i* = — l n 1 " R N , m x e(1-A) whereas in the second case the breaking condition is F° = 0, and then t¿ = Aln-i . The variation with m

(4.5)

(4.6) of the amplif ication A corresponding to máximum

growth factors x is represented in figure 5. It must be stated that A can be either positive or negative. According to (4.2) A = 0 implies x2 = -J(l - R2)(m2 - m 4 ) ,

(4.7)

o the highest valúes of x being obtained when R = 0, henee x2 = -i(m2 - m 4 ) .

(4.8)

-67-

This zero amplification curve coincides with the upper boundary AC of the lower branch root región (see figure 3). Points within this región give A < 0, which means that outer and inner interface deformations are just in phase opposition. However, as already stated, lower branch máxima are not significant because they produce slower evolutions than upper branch máxima. As figure 5 shows, most of the compound jet configurations have A > 1. Inner interface deformations are larger than outer interface deformations, which seems to indicate that the inner jet will break before the outer jet. However, _i

as m

_1

increases A decreases, in such a way that cióse to m

.

= v2 is

A < 1. This means that inner interface deformations are smaller than those of the outer interface and could indicate that there is another breaking regime in which the outer interface reaches the inner interface before mínimum inner interface radius vanishes. Some A < 1 cases have a quite clear meaning. For instance, when p = 1, a - 0 (single jet) the amplification is A = R < 1: fluid surfaces distort like the outer interface, the deformation being proportional to the undisturbed fluid surface radius. When P ^ 1 the explanation is not so simple and we should compare breaking time of both inner and outer jets, t and b t°, respectively. Outer interface will reach inner interface when t¡t - t ? > 0 b b b or, according to (4.4) and (4.6), A/R = k, 0 < k < 1, that is A = kR < 1. As shown in figure 5, this breakup by interface meeting would be possible if the breaking perturbation wavelength is large enough. Additional insight can be obtained from equation (4.2). After substituting A by kR results 1 _izRÍ(m2 _ m 4 } . A_^_2T2 (4.9) 2 1-kR2 1-kR2 ° This expression gives, for each valué of m, R and k, the growth factor x r for T2 = r

which a breakup by interface increases, the highest valúes, x

meeting would occur. x r = x

increases as k

being obtained when k = 1 (A = R ) .

Therefore, if for a given wave number m the máximum growth factor x smaller than x contrary, if x

the breakup by interface meeting > x

is

could occur. On the

the inner jet will break faster than the outer one.

According to figure 3 the former breaking regime would only take place in the

-68-

case p > 1. In figure 4c the región of breakup by interface meeting (A o, R) has been plotted.

5. Experimenta versus theory In order to evalúate the suitability of the one-dimensional

model

in

predicting the behaviour of compound jets, theoretical results here obtained have been compared with experimental results reported by Hertz & Hermanrud (1983). Two different compound jets are considered, in the first one a mixture of water (80 %) and glycerol

(20 %) is used as outer liquid, and the same

mixture, but dyed, as inner liquid. In the second compound jet the inner liquid is the same as in the first jet whereas the outer fluid is a dimethyl silicone oil. For the first jet (a = 0,

p = 1, R = 0.488) theory predicts

behaviour as the single jet: breaking should occur at the optimum m

the

same

= /2~

(see Table 1) which is in agreement with the valué measured in figure 5 from Hertz & Hermanrud (1983), m that figure, A ^ R :

= 1.4. Furthermore, as it can be observed in

inner jet deformations are proportional to outer

jet

deformations. The second jet (o % 2.6, P ^ 1, R = 0.488) seems to be more interesting for comparison purposes. In this case the corresponding theoretical valué for the optimum m

is 0.72, and the valúes for m

& Hermanrud (1983) are m

measured in figure 6 from Hertz

= 0.64 (in the first wave) and m

= 0.60

(mean

valué along the j e t ) , cióse enough to theoretical valué to consider

the

agreement between theory and experiments as significantly good, in spite of the errors involved in these estimations. Concerning the amplification A, mainly two factors prevents us for making definitive conclusions on this point. The first one is the magnitude of the errors involved in measuring it from photographs shown in figure 6 from Hertz & Hermanrud (1983), especially the deformation of the outer interface, even if a cathetometer is used. The second factor concerns the lack of data on the outer

-69-

liquid refractive Índex, needed to correct the optical distortion of the inner interface. An indicative valué A ^ 3 could be guessed in the last two waves before inner jet breaking (to which linear model would not be suitable), the theoretical prediction for optimum breaking condition being A = 2.59.

6. Conclusions The behaviour of compound jets has been analyzed by using a one-dimens ional inviscid model which includes the main characteristics of such capillary jets. The influence of the parameters involved (R, p, a) has been studied through a linearized analysis and, amongst other features, the existence of two breaking regimes should be pointed out. A better definition of these breaking regimes would require the extensión of the analysis to non-linear approximations of the model presented in §2, or even the numerical integration of the complete set of equations, but these tasks are out of the scope of this paper and should be undertaken in future work. In addition, theoretical results have been compared with experimental ones and, concerning the inverse wave number m with those of Hertz & Hermanrud

, the results here obtained agree

(1983). An interesting point for

future

experiments could be the exploration of jets lying in the coupled breaking región (the most part of the graphics shown here) and specially the interface meeting región.

-70-

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-72-

OPTIMUM BREAKUP CONDITION

CASE

a -> co a= O

a=0

COMMENTS T m

m

A

ao

/2~ R

1/R

z 2 1-P1 (1 /-, + R r, ¿ i^) 8 p

O

R = 1

^ 8p

R = O

— 8 1-R2

/2 p + R2(l-p) /2~.R

ao

O < R <

1//2

/2

1

Single

Í7

oo

Single jet

/2~

O

Solid core jet

jet

-I

p -> oo

Table 1

-73

FIGURE CAPTIONS

FIGURE 1. Geometry and coordinate system for the compound jet.

FIGURE 2. Qualitative influence of a (inner to outer surface tensión ratio) and P (inner to outer density ratio) on the variation with the inverse wave number —1

m

9

9

of the roots of eq. (3.10) T, and T2- Arrows indicate the variation of

the root curves as a or p increase.

FIGURE 3. Máximum growth factor x„ versus inverse wave number m ° m

of

compound jets with a inner to outer density ratio p = 0.5 (a), p = 1 (b) and p = 2 (c). Numbers on the curves indicate the valúes of the inner to outer radius ratio R (solid lines) and the inner to outer surface tensión ratio a (dashec lines). Details on the box outlined in (c) are shown in (¿). FIGURE 4. Minimum jet radius F_ versus time t. Inner-jet breaking time t¿ b is obtained when its minimum radius F „ m, vanishes. In the outer jet case there are two possibilities and breaking time t? is reached when its minimum radius F° vanishes (a) or when the outer interface reaches the inner one (b).

FIGURE 5. Amplification A versus inverse wave number m

of compound jets

with a inner to outer density ratio p = 0.5 (a), p = 1 (b) and p = 2 (c). Numbers on the curves indicate the valúes of the inner to outer radius ratio R (solid lines) and the inner to outer surface tensión ratio a (dashed lines). The shaded área in (c) indicates the región in which breakup occurs by the meeting of the inner and outer interfaces.

•74-

tVl

+ ~T3

3

V O)

c c

O

t/\rf

W

FIG. 1

•75-

z

F/6. 2.

•76-

v\ \ \

0.8

~

\ \

YY\

0.6

\ \ \ VI

A\s

\

1

f\ N

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V-~^

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1

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