Demostrado un nuevo tipo de convección en gases granulares

En física, la convección térmica de un fluido se manifiesta por la aparición de estructuras geométricas por las que el fluido se desplaza formando circuitos cerrados. Este fenómeno es de vital importancia para muchas aplicaciones industriales en las que un fluido está presente. La convección de Bénard es uno de los problemas más estudiados en dinámica de fluidos.

En este marco, un equipo de científicos de la Universidad de Extremadura y la Universidad de Roma La Sapienza ha hallado ahora un nuevo tipo de convección que aparece en un fluido granular y que hasta ahora no se había detectado en fluidos tradicionales, como líquidos y gases. El desarrollo experimental  y los resultados se han publicado en la revista Physical Review Letters.

Los medios granulares están formados por partículas sólidas macroscópicas, de tamaño superior a 1 micrómeto (μm), que debido a una agitación o inyección de energía interaccionan y colisionan entre sí, comportándose como un gas o un fluido. En este medio específico, los investigadores han determinado las condiciones que sistemáticamente producen convección térmica, en un gas granular bajo la acción de la gravedad y fluidizado por una base vibratoria.

Esta convección resultante es diferente de la convección tradicional conocida en fluidos, puesto que está producida por paredes inertes. Las propiedades también son diferentes, ya que solo se forman dos celdas de convección (una por pared inerte),  que en el experimento ideado por los autores se encuentran en las paredes laterales del sistema. Por ello, estos científicos la han denominado “convección térmica por paredes laterales”.

“Hasta ahora ningún experimento similar había dado con la clave o el porqué de esta convección. Nos dimos cuenta que cuando las bolitas dentro de la caja del experimento, al chocar inelásticamente contra la pared lateral se enfriaban. Y que precisamente, es esta diferencia de temperatura entre la zona caliente y las dos paredes más frías, junto con la acción de la gravedad, la responsable de este nuevo tipo de convección granular”, ha explicado Francisco Vega Reyes, físico teórico en la Universidad de Extremadura y miembro del Instituto de Computación Científica Avanzada.

Estos dos rollos aparecen siempre e independientemente de la temperatura, aunque cuanto más absorba el calor la pared lateral la convección será más intensa. “Esta es una convección provocada por gradiantes perpendiculares”, afirma Vega. Así, dos gradiantes actúan en paralelo y en vertical - la gravedad y la fuente de calor en la base –y un gradiente horizontal– constituida por la diferencia de energía derivada de las colisiones inelásticas contra la pared lateral. 

Esta dinámica granular ofrece numerosas aplicaciones en la industria aeroespacial, por ejemplo, para aumentar la efectividad en el desplazamiento de robots en campos gravitatorios débiles y en los que se tenga en cuenta las propiedades de fluidización del medio arenoso por el que se desplaza. Asimismo, “si controlamos las condiciones de convección, podemos mejorar el proceso de mezclado y de agitación en el caso de componentes materiales granulares como los compuestos farmacéuticos,” añade Vega. Los investigadores están ahora trabajando en los modelos teóricos para reproducir este tipo de convección en líquidos, ya que desde un punto de vista técnico este fenómeno podría tener aplicación en la mecánica de fluidos.

Referencia bibliográfica:

Giorgio Pontuale, Andrea Gnoli, Francisco Vega Reyes, and Andrea Puglisi. “Thermal Convection in Granular Gases with Dissipative Lateral Walls”. PHYSICAL REVIEW LETTERS vol 117, p. 098006 (2016). DOI: 10.1103/PhysRevLett.117.098006