Inestabilidad de Rayleih en capilares en presencia de surfactantes. Efectos de la concentración e interacciones moleculares

DIEGO MARTIN CAMPANA; FERNANDO ADOLFO SAITA

Santa Fe de la Vera Cruz, Provincia de Santa Fe

Congreso; XV Congreso sobre Métodos Numéricos y sus Aplicaciones ENIEF 2006; 2006

Asociación Argentina de Mecánica Computacional

La inestabilidad de Rayleigh es un fenómeno gobernado por fuerzas de tensión superficial, que produce el crecimiento de perturbaciones sobre interfases y películas de líquido, que evolucionan hacia estructuras más estables. En el caso de una película anular depositada en la pared interior de un capilar cilíndrico, se forman collares o lentes líquidos, dependiendo del espesor inicial de la película. Como en todo fenómeno capilar, las sustancias que modifican la tensión superficial de la interfase -surfactantes- tendrán una enorme influencia sobre la evolución de la inestabilidad. En trabajos previos de los autores, se simuló el proceso de formación de lentes líquidos en presencia de surfactantes, en el límite de muy bajas concentraciones de surfactantes; por ello, se utilizó una ecuación de estado lineal para relacionar la concentración de tensioactivo y la tensión superficial en la interfase. En este trabajo se extienden los modelos previos, considerando una cinética y ecuación de estado de Frumkin, válida para concentraciones mayores y para surfactantes con interacciones moleculares importantes. El flujo 2D axisimétrico y transiente, se describe a través de las ecuaciones de Navier-Stokes y continuidad, acopladas al balance interfacial de surfactante para modelar el transporte de soluto en la superficie líquido-gas. El modelo resultante, no-lineal y que incluye a la interfase como frontera libre del problema, se resuelve en forma numérica con el método de elementos finitos. Los resultados muestran que la cinética y ecuación de estado lineal son una buena aproximación cuando las concentraciones de surfactante son bajas. Esto también se cumple cuando se consideran surfactantes con fuerte efecto elástico, independientemente de su concentración y la interacción molecular. Sin embargo, para efectos elásticos menos intensos, la evolución se ve notablemente afectada por la concentración y la interacción molecular; en estos casos la aproximación lineal no resulta apropiada. Los resultados muestran que la cinética y ecuación de estado lineal son una buena aproximación cuando las concentraciones de surfactante son bajas. Esto también se cumple cuando se consideran surfactantes con fuerte efecto elástico, independientemente de su concentración y la interacción molecular. Sin embargo, para efectos elásticos menos intensos, la evolución se ve notablemente afectada por la concentración y la interacción molecular; en estos casos la aproximación lineal no resulta apropiada. , dependiendo del espesor inicial de la película. Como en todo fenómeno capilar, las sustancias que modifican la tensión superficial de la interfase -surfactantes- tendrán una enorme influencia sobre la evolución de la inestabilidad. En trabajos previos de los autores, se simuló el proceso de formación de lentes líquidos en presencia de surfactantes, en el límite de muy bajas concentraciones de surfactantes; por ello, se utilizó una ecuación de estado lineal para relacionar la concentración de tensioactivo y la tensión superficial en la interfase. En este trabajo se extienden los modelos previos, considerando una cinética y ecuación de estado de Frumkin, válida para concentraciones mayores y para surfactantes con interacciones moleculares importantes. El flujo 2D axisimétrico y transiente, se describe a través de las ecuaciones de Navier-Stokes y continuidad, acopladas al balance interfacial de surfactante para modelar el transporte de soluto en la superficie líquido-gas. El modelo resultante, no-lineal y que incluye a la interfase como frontera libre del problema, se resuelve en forma numérica con el método de elementos finitos. Los resultados muestran que la cinética y ecuación de estado lineal son una buena aproximación cuando las concentraciones de surfactante son bajas. Esto también se cumple cuando se consideran surfactantes con fuerte efecto elástico, independientemente de su concentración y la interacción molecular. Sin embargo, para efectos elásticos menos intensos, la evolución se ve notablemente afectada por la concentración y la interacción molecular; en estos casos la aproximación lineal no resulta apropiada.