Efeitos de molhamento nas instabilidades hidrodinâmicas e em forças adesivas em fluidos confinados

Abstract

Consideramos o movimento da interface entre dois fluidos viscosos, imiscíveis e incompressíveis confinados em uma célula de Hele-Shaw radial. Quando o fluido de baixa viscosidade é injetado no centro da célula e desloca radialmente o fluido de alta viscosidade, a instabilidade de Saffman-Taylor entra em ação levando ao crescimento de estruturas em formato de dedos. Dependendo da natureza dos fluidos envolvidos, eles podem molhar as paredes da célula de Hele-Shaw, deixando para trás um filme molhante de espessura finita. Diante disso, investigamos a influência da camada de fluido molhante, deixada pelo fluido deslocado, na dinâmica linear e fracamente não-linear do sistema. Mais especificamente, examinamos como a instabilidade da interface e os mecanismos de formação de padrões (bifurcação e competição de dedos) são afetados pela presença da camada de filme molhante no limite de baixo número de capilaridade. Estudamos também uma variação da instabilidade de Saffman-Taylor usual induzida pela injeção: o problema do levantamento em célula de Hele-Shaw. Nossos resultados analíticos indicam que o molhamento tem um impacto significativo nos padrões não-lineares resultantes. Ele é responsável por uma atenuação na variação do comprimento dos dedos, enquanto que induz o aparecimento de estruturas que apresentam dedos pequenos e largos, provenientes do fluido não molhante, alternados por dedos pequenos e finos pertencentes ao fluido molhante. Durante o processo de levantamento, medidas adquiridas pelo teste de adesão quantificam a força adesiva de um fluido viscoso confinado entre placas paralelas. Experimentos e intensas simulações numéricas indicam que a formação de dedos afeta a força de levantamento, promovendo uma diminuição na magnitude da mesma. Concluímos este trabalho propondo um modelo analítico que forneça a força de adesão considerando não só o efeito de dedos da interface, mas também a ação do molhamento e de estresses viscosos normais.