En ny forståelse af mønstre i væskeflow

Forskere har udforsket, for første gang, den tyktflydende fingersætning (VF, en af ​​klassisk grænsefladehydrodynamik) af en ringformet ring, hvor 'fingre' i en væske med begrænset volumen vokser radialt, gennem en kombination af eksperiment og numerisk simulering. De demonstrerer, at VF for en ringformet ring er et vedholdende fænomen.

Forskerne offentliggjorde deres resultater i Journal of Fluid Mechanics den 6. april, 2021.

Når en mindre viskøs væske bevæger sig i en mere viskøs væske i et porøst medium, grænsefladen mellem de to væsker bliver ustabil og deformeres i en fingerform. Siden 1950'erne, denne VF er blevet undersøgt som et væskedynamikproblem. VF kan klassificeres efter om den mindre tyktflydende væske fortrænger den mere tyktflydende retlinet eller radialt.

"Klassisk, VF dannet ved en grænseflade mellem to semi-uendelige domæner med forskellig viskositet er blevet undersøgt. Imidlertid, for nylig, VF dannet ved enten den forreste eller bageste grænseflade af væsken med begrænset volumen har tiltrukket sig opmærksomhed, fordi sådan VF er relevant for kromatografi, spredning af grundvandsforurening, og forbedret oliegenvinding. Indtil nu, VF'er dannet i væsker med begrænset volumen i lineær geometri er hovedsageligt kun blevet undersøgt ved numerisk simulering. Imidlertid, VF'er dannet i væsker med begrænset volumen i radial geometri er sjældent blevet undersøgt eksperimentelt eller numerisk." sagde Dr. Nagatsu, en af ​​de tilsvarende forfattere på papiret, Lektor ved Institut for Kemiteknik ved Tokyo University of Agriculture and Technology (TUAT). "Dette er på grund af kompleksiteten i at skabe endelighed i eksperimenter og vanskeligheder med numerisk løsning af de styrende ligninger."

Forskerholdet lykkedes med integrerede analyseeksperimenter og numerisk simulering på VF dannet i væsker med begrænset volumen i radial geometri (se figur). Forsøgene udføres ved hjælp af et vand-glycerol blandbart system i en Hele-Shaw celle, som er et forsøgsapparat til at efterligne de porøse mediestrømme. Simuleringen udføres ved hjælp af tofaset Darcy law (TPDL) modul af COMSOL (COMSOL Multiphysics).

"Vores team fandt ud af, at VF for en ringformet ring er et vedvarende fænomen i modsætning til VF's forbigående karakter af en skive (se figur). Selvom nye fingre ophører med at dukke op efter nogen tid, men på grund af radial spredning af det tilgængelige område til VF, et endeligt antal fingre forbliver altid på et senere tidspunkt. Desuden, vi viste tydeligt, at VF kun blev observeret, hvis bredden af ​​det endelige lag overstiger en vis værdi, " forklarer Nagatsu.

"Tilsyneladende viser vores resultater, at dynamikken af ​​VF i ringformet ring er dramatisk forskellig fra de klassiske radiale VF og retlinede VF med en væske klemt mellem lag af en anden. VF i ringform foregår faktisk ved spredning af grundvandsforurening, og forbedret oliegenvinding. Dermed, vores fund forventes at gøre os i stand til at foretage meget nøjagtige forudsigelser af sådanne processer, " tilføjer Nagatsu.