Un professeur d'ingénierie environnementale de l'Oregon State University a résolu un mystère vieux de plusieurs décennies concernant le comportement des fluides, un domaine d'études avec une médecine généralisée, applications industrielles et environnementales.

Les recherches de Brian D. Wood, publié dans le Journal de mécanique des fluides , élimine un obstacle qui intrigue les esprits scientifiques depuis près de 70 ans et ouvre la voie à une image plus claire de la façon dont les produits chimiques se mélangent dans les fluides.

Une compréhension plus complète de ce principe de base fournit une base pour des progrès dans un éventail de domaines, de la façon dont les polluants se propagent dans l'atmosphère à la façon dont les médicaments imprègnent les tissus du corps humain.

Financé par la National Science Foundation, Le travail de Wood sur la théorie de la dispersion s'appuie sur les recherches de l'un des scientifiques les plus accomplis de l'histoire de l'État de l'Oregon, Octave Levenspiel. Un doctorat en génie chimique de 1952. diplômé et plus tard membre du corps professoral de longue date, Levenspiel en 1957 a publié un article important sur la dispersion dans les réacteurs chimiques sur le point de devenir le premier intronisé du collège à la National Academy of Engineering.

Plus important encore, la recherche de Wood comble une lacune de longue date dans l'un des principes fondamentaux de la mécanique des fluides :la théorie de la dispersion de Taylor. Nommé en l'honneur du physicien et mathématicien britannique G.I. Taylor, auteur d'un article fondateur de 1953, la théorie concerne les phénomènes dans lesquels les fluctuations des champs de vitesse d'un fluide provoquent la propagation de produits chimiques à l'intérieur de celui-ci.

"Le processus d'étalement dispersif a tendance à s'intensifier avec le temps jusqu'à atteindre un niveau stable, " Wood a déclaré. " Vous pouvez le considérer comme un investissement dans une start-up, dans lequel les taux de rendement peuvent initialement être très importants avant de s'installer à un niveau plus soutenable et proche de la constante. »

La théorie de Taylor a été la première à permettre aux chercheurs de prédire ce niveau constant de dispersion en utilisant ce que l'on appelle l'équation de dispersion macroscopique. L'équation peut décrire le mouvement net d'une espèce chimique dans un fluide, à condition que suffisamment de temps se soit écoulé depuis le moment où le produit chimique est entré dans le fluide.

"C'était une révélation importante à l'époque, " Wood a déclaré. "C'était à égalité avec ce que les chercheurs faisaient théoriquement dans d'autres disciplines, comme la mécanique quantique."

Alors que la théorie de Taylor était réussie et révolutionnaire, les chercheurs ont encore du mal à résoudre le problème de l'évolution de la propagation dispersive à partir de sa dynamique, comportement précoce - ce qu'on appelle sa condition initiale - jusqu'au moment où il atteint la valeur plus constante prédite par Taylor.

Les scientifiques ont trouvé un certain succès en ajoutant à l'équation un coefficient de dispersion dépendant du temps, mais le coefficient a créé ses propres problèmes, le premier étant les paradoxes.

"Par exemple, si les solutés chimiques injectés dans un fluide à deux moments différents se chevauchent, quelle heure attribuez-vous au coefficient de dispersion ?" dit Wood. "Taylor lui-même a compris que, où un coefficient de dispersion dépendant du temps a été adopté, les théories contemporaines ont violé les notions fondamentales de causalité en physique."

Wood et ses collaborateurs ont utilisé un autre canon, la théorie des équations aux diérentielles partielles, montrer que les problèmes avec le coefficient de dispersion dépendant du temps sont dus à la négligence de la relaxation du soluté - le produit chimique injecté dans le fluide, ou solution - à partir de son état initial.

"Lorsque les espèces chimiques sont d'abord injectées, leur comportement n'est pas forcément cohérent avec une équation de type dispersion, " expliqua Wood. " Plutôt, la condition initiale doit d'abord « se détendre ». Pendant ce temps, il y a un terme supplémentaire pour tenir compte de ce qui manquait dans l'équation de dispersion à l'échelle macro de Taylor."

Dans une équation, un terme désigne un seul nombre ou une variable, ou des nombres et des variables multipliés ensemble.

Le terme Wood ajouté corrige l'équation de dispersion pour tenir compte de la configuration initiale des espèces chimiques se déplaçant dans le fluide. Un peu surprenant, Bois a dit, la théorie résout également les paradoxes d'autres théories avec des coefficients de dispersion dépendant du temps.

« Dans la nouvelle théorie, il n'y a jamais de question sur le coefficient de dispersion à utiliser lorsque des solutés chimiques se chevauchent, ", a-t-il déclaré. " L'ajustement du processus d'étalement s'explique automatiquement par la présence du terme supplémentaire. "