Trong nhiều hệ thống thực tế, chất lỏng được trộn lẫn với chất khí, tạo ra cái mà các nhà khoa học gọi là dòng chảy hai pha khí-lỏng. Mặc dù các hệ thống này khá phổ biến, nhưng chúng thường tiêu tốn một lượng lớn năng lượng, đặc biệt ở một số tốc độ quay nhất định.

Cho đến nay, vẫn chưa rõ tại sao tổn thất này lại đạt đỉnh điểm ở các tốc độ cụ thể, thay vì chỉ đơn giản là tăng lên khi máy quay nhanh hơn. Một nghiên cứu mới của các nhà nghiên cứu từ Đại học Osaka, Đại học Tokyo và RIKEN khám phá ra lý do chính đằng sau hành vi khó hiểu này.

Sử dụng siêu máy tính “SQUID” mạnh mẽ của Nhật Bản, nhóm nghiên cứu thực hiện các mô phỏng chi tiết cao để kiểm tra năng lượng bị mất như thế nào khi rotor quay bên trong hỗn hợp khí và chất lỏng. Kết quả nghiên cứu được công bố trên tạp chí Multiphase Science and Technology.

Nhóm nghiên cứu chú ý vào momen xoắn, thước đo lực cần thiết để giữ cho rotor quay. Momen xoắn càng cao thì tổn thất năng lượng càng lớn. Họ phát hiện momen xoắn không tăng đều đặn theo tốc độ. Thay vào đó, nó đạt đỉnh điểm ở một tốc độ quay nhất định, tại đó tổn thất năng lượng đạt mức tối đa.

Một lý do chính dẫn đến đỉnh điểm này là hiện tượng cộng hưởng. Khi rotor quay, nó tạo ra sóng trên bề mặt giữa chất lỏng và khí, giống như nước vỗ trong thùng chứa. Ở một số tốc độ nhất định, sự quay trùng khớp với tần số tự nhiên của các sóng này. Khi điều này xảy ra, sóng sẽ mạnh hơn, không ổn định hơn, dẫn đến chất lỏng chuyển động mạnh mẽ.

Nghiên cứu cho thấy, tổn thất năng lượng không chỉ do rotor va chạm vật lý với bề mặt chất lỏng, như giả định trước đây. Mặc dù các va chạm này đóng một vai trò nhất định, nhưng các mô phỏng cho thấy, sự mất cân bằng áp suất xung quanh rotor cũng quan trọng không kém.

Khi hệ thống đạt trạng thái cộng hưởng, chất lỏng bị hút mạnh về phía trước rotor, tạo ra áp suất cao ở đó. Đồng thời, dòng chảy không ổn định hình thành phía sau rotor, tạo ra vùng áp suất thấp. Sự chênh lệch áp suất này làm tăng đáng kể lực cản đối với chuyển động quay, đẩy momen xoắn và tổn thất năng lượng lên mức đỉnh điểm.

Bằng cách kết hợp dữ liệu thực nghiệm với mô phỏng quy mô lớn, các nhà nghiên cứu lần đầu tiên có thể quan sát chi tiết thay đổi áp suất và mô hình dòng chảy này. Sự hiểu biết sâu sắc này giúp giải thích tại sao máy móc có thể đột nhiên hoạt động kém hiệu quả hoặc chịu ứng suất cơ học quá mức ở một số tốc độ vận hành nhất định.

Những phát hiện này có ý nghĩa thực tiễn quan trọng. Bằng cách tránh vận hành máy móc ở tốc độ gây ra hiện tượng cộng hưởng, các kỹ sư có thể giảm lãng phí năng lượng và nâng cao hiệu quả hoạt động của máy móc.

Hiểu rõ cơ chế này cũng giúp giảm hao mòn cơ học, giảm nguy cơ hỏng hóc và kéo dài tuổi thọ thiết bị. Ngoài ra, những hiểu biết này cung cấp hướng dẫn mới cho việc thiết kế hình dạng rotor và bố cục hệ thống nhằm giảm thiểu sự mất cân bằng áp suất có hại, giúp tạo ra những cỗ máy êm hơn, an toàn hơn và tiết kiệm năng lượng hơn.