¿Cavitar o no cavitar? La inevitable ubicuidad de las burbujas

Inició sus palabras recordando que, mientras que en el proceso de ebullición de un líquido éste se transforma en vapor al aumentar su temperatura aproximadamente a presión constante, en el de cavitación hidrodinámica (CH) o ultrasónica (CU), se cruza la línea divisoria líquido/vapor al reducir la presión a temperatura constante. Ambos procesos van acompañados de formación de burbujas a partir de núcleos preexistentes de gas sin disolver, atrapados en el líquido. La variación de presión, impuesta externamente en sistemas cavitantes, da lugar a varios fenómenos distintivos:

 

  • altas presiones, del orden de miles de veces la presión atmosférica, y temperaturas, del orden de miles de grados centígrados, en el interior de las burbujas en el instante de su implosión, 
  • transferencia de masa y energía a través de la superficie de la burbuja, 
  • ondas de choque en el seno del líquido, generadas por las fuertes variaciones de presión en torno a la interfase, 
  • microchorros de alta velocidad, de más de cien metros por segundo, consecuencia de la rotura asimétrica de las burbujas, 
  • nubes de burbujas con comportamientos colectivos peculiares, - flujos acústicos inducidos por los gradientes de la presión ultrasónica,
  • sonoluminiscencia o emisión de luz por radicales excitados o plasmas,
  • emisión sonora.

 

Dada su intensidad, pueden dañar materiales o, por el contrario, permitir múltiples aplicaciones de utilidad. Los tiempos y longitudes característicos de los procesos mencionados suelen ser del orden de los microsegundos y de las decenas de micrómetros en problemas típicos de CU, y sensiblemente superiores en CH. Posteriormente presentó una sencilla descripción de la dinámica de una burbuja cavitante (un oscilador no lineal) por medio de la ecuación de Rayleigh-Plesset (R-P), definiendo su frecuencia natural y estableciendo la conexión entre la CU y la CH.

 

A continuación pasó a detallar la historia de la investigación sobre cavitación. Stokes (1819-1903) formuló matemáticamente por primera vez en 1847 el problema del colapso de una cavidad vacía en un líquido infinito y calculó el tiempo de cierre de esa cavidad. Tradicionalmente, se reconoce ese mérito a Besant (1859) y a Rayleigh (1917), si bien, el primero cita explícitamente el examen de la “Senate House” de Cambridge, que incluye el problema citado, con el que los alumnos de Stokes tuvieron que confrontarse el 8 de enero de 1847. Describió, finalmente, la historia de la sonoquímica (SQ) y la del fenómeno conocido como sonoluminiscencia (SL).

 

Tras enumerar las aplicaciones industriales de los ultrasonidos (US), en las que la cavitación parece jugar un papel importante, reseñó varias curiosidades del entorno natural (la formación de diamantes, la emisión acústica de una especie de gambas tropicales, la alimentación de cetáceos creando trampas sónicas, “el murmullo del arroyo, el rugido de la catarata o el zumbido del mar”, o el sonido de la lluvia) en su conexión con la dinámica de las burbujas, así como, también, aplicaciones de la cavitación inducida por US en Biología y Medicina.

 

En la parte final de su intervención, describió los trabajos experimentales, realizados recientemente por el grupo del que el autor de este discurso forma parte, relacionados con la conversión química, inducida por CH o CU, de contaminantes en líquidos (agua infectada, estiércoles líquidos) y con la modificación de propiedades macroscópicas de líquidos muy viscosos (glicerina, crudos pesados). Indicó los resultados computacionales novedosos obtenidos para una burbuja esférica, sobre las diferentes etapas de su dinámica, sobre la generación de radicales hidroxilo en el interior de la burbuja por disociación del vapor de agua, sobre los efectos de la transferencia de masa a través de la interfase líquido-burbuja por evaporación o condensación, sobre el campo de presión en el líquido a lo largo del tiempo, sobre la relación entre el tamaño inicial de una burbuja y la frecuencia ultrasónica que produce su colapso más intenso, y sobre las condiciones de validez de la ecuación de R-P.

 

Concluyó sus palabras con una lista de trabajos futuros a realizar y unas reflexiones sobre I+D, fruto de las experiencias acumuladas en los proyectos de investigación relacionados con la cavitación en los que ha participado en los últimos años.

 

Lección Inaugural 2008

¿Cavitar o no cavitar? La inevitable ubicuidad de las burbujas

Autor: César Dopazo García

Ed. Real Academia de Ingeniería

Año. 2008

ISBN: 84-95662-51-5

Nº de páginas: 90

Rústica

 

¿Cavitar o no cavitar? La inevitable ubicuidad de las burbujas
84-95662-51-5