Objectius de l'experiment
L'objectiu d'aquest experiment és visualitzar la inestabilitat de Richtmyer-Meshkov (RMi) per fluids incompressibles en microgravetat. Les condicions de microgravetat que proporciona el vol parabòlic de la ESA ens permeten l'única oportunitat que tendrem per analitzar el procés complet d'inestabilitat fins les etapes lineals properes a la transició final cap a la turbulència.RMi es produeix quan dos fluids de diferents densitats que es troben separats, reben una acceleració (impulsiva) en la direcció normal a la seva interfície. Aquesta és una de les inestabilitats fonamentals i mostra moltes de les complexitats no lineals que transformen les condicions lineals simples en un flux turbulent. Es sol relacionar directament amb la inestabilitat de Rayleigh-Taylor, que ocorre quan una interfície plana, sotmesa a l'acció d'un camp d'acceleració constant (de la Terra, per exemple), es veu retardada degut a que el fluid més dens està situat sobre el de menor densitat. A la Fig. 1 es mostra la inestabilitat obtinguda amb dos gasos sotmesos a una forta ona de xoc.
 |
| Fig 1. Inestabilitat de Richtmyer-Meshkov en gasos |
La RMi és important en molts camps d'estudi, com en astrofísica [1], combustions a grans velocitats [2] i en la fusió nuclear per confinament inercial (ICF) [3]. En el primer cas, sol ocórrer en les supernoves, on el col·lapse del nucli de l'estrella que es troba a punt de morir genera una ona de xoc que travessa la interfície d'heli- hidrogen. En el segon cas, la inestabilitat s'observa en els motors de combustió supersònica. Per acabar, en les ICF, un raig làser de gran energia s'utilitza per comprimir l'encapsulament esfèric de la mescla combustible de deuteri- tritó, i el flux turbulent resultant limita la quantitat de compressió que es pot aconseguir en el procés.
Experiments sobre RMi s'han realitzat originàriament en tubs de xoc utilitzant gasos [4], però la dificultat principal en aquests experiments consisteix en mantenir ben definida la fina interfície entre gasos. La utilització de líquids minimitza aquest problema amb la creació d'una interfície més definida, degut a que els líquids tenen els coeficients de difusió baixos. A més a més, la inestabilitat en líquids es realitzarà en un temps considerablement major, pel que la seva visualització serà més senzilla.
Si realitzéssim l'experiment en condicions normals, l'efecte de la gravetat terrestre es sobreposaria a la inestabilitat i en dificultaria la seva observació, pel que necessitam tenir un ambient amb poca gravetat. Els efectes de la gravetat es poden minimitzar combinant els fluids en una caiguda lliure mentre la inestabilitat es desenvolupa [5]. Però nosaltres hem anat més enllà i hem pensat en aprofitar la combinació d'ambdós fenòmens (tenir i no tenir gravetat) per tal que la reaparició de la gravetat al finalitzar el procés de visualització ens permeti deixar el sistema en les mateixes condicions que teníem abans de la realització i quedar preparat per tornar a començar.
Malgrat tot això, el temps pel qual aquest mètode és viable és molt limitat, fins i tot utilitzant les majors "Drop Towers" (Torres de Caiguda) de les que actualment es disposen, i la completa transició cap a la turbulència no s'ha aconseguit visualitzar de manera satisfactòria. L'entorn de microgravetat del vol parabòlic permetrà incrementar considerablement el temps de viabilitat del projecte i donarà una oportunitat única de prendre diferents mesures de la RMi i visualitzar el procés complet: des de l'etapa inercial lineal, passar pel règim no lineal i arribar a la transició final cap a la turbulència.
[1] Arnett, W.D., Bachall, J.N., Kirshner, R.P., and Woosl>
[2] Markstein, G.H., “A shock tube study of flame front-pressure wave interaction,” Sixth Symp. (Int) on Combustion, Reinhold, 387-398 (1957)
[3] Lindl, J.D., McCrory, R.L., and Campbell, E.M., “Progress Toward Ignition and Burn Propagation in Inertial Confinement Fusion,” Physics Today, 45 (9), 32-50 (1992)
[4] Brouillette, M., and Sturtevant, B. “Experiments on the Richtmyer-Meshkov instability: single scale perturbations on a continuous interface,” J. Fluid Mech. (1994), vol. 263, pp. 271-292
[5] Niederhaus, C. E., and Jacobs, J. W., “Experimental study of the Richtmyer-Meshkov instability of incompressible fluids,” J. Fluid Mech. (2003) vol. 485, pp. 243-277
Descripció de l'experiment
L'estructura de l'experiment consisteix en un tanc de Lexan (35cm x 20 cm x 5 cm) que contenté dos líquids immiscibles de densitats lleugerament diferents, muntat sobre un rail orientat de tal manera que el tanc es pot moure lliurement en la direcció vertical una distància d'aproximadament uns 1.5m (Fig. 1). |
| Fig 2. Muntatge experimental |
Un moment abans d'assolir les condicions de microgravetat, s'impartirà una petita (però controlada) oscil·lació horitzontal al tanc per produir una forma ondulada inicial en la interfície dels líquids. S'amollarà el tanc des d'una altura fixada caient lliurement pel rail fins límit, on situarem un sistema de frenat que serà l'encarregat de produir-li l'impuls d'acceleració necessari per produir la inestabilitat. En el moment de l'impacte, l'avió ja ha d'estar en microgravetat. Per tant, l'instant en què s'ha d'amollar el tanc s'ha de sincronitzar amb el moment amb què es produeix la microgravetat. Després de l'impacte, el tanc es mantindrà en la part baixa del rail i les petites pertorbacions que havíem provocat creixeran. La RMi s'anirà desenvolupant fins arribar al règim turbulent.
Quan les condicions deixin de ser de microgravetat, el fluid més dens es col·locarà a sota del menys pesant i haurem aconseguit retornar-ho a les condicions inicials.
Un experiment semblant es va realitzar en terra en el passat per la Universitat d'Arizona [5]. El muntatge que van fer s'ha tingut en compte modificant el necessari per evitar els mateixos problemes i adequant-ho per ser realitzat amb las avantatges que ofereix el vol parabòlic. Com ja hem dit abans, la major avantatge que intentarem aprofitar és la llarga durada que ens ofereix per poder completar el desenvolupament.
La dissolució d'un colorant en un dels líquids ens permetrà millorar la visualització. Una càmera de vídeo acoblada al tanc enregistrarà l'evolució.