Bord-top eksperiment vender den nuværende forståelse af solut konvektion

Da Yu "Alex" Liang startede kandidatskolen ved University of Texas i Austin, han fik til opgave at køre et ligetil eksperiment for at indsamle data om et velforstået fænomen i væskemekanik:hvordan tæthedsforskelle påvirker væskestrømmen i et porøst medium.

Det er et scenario, der spiller på tværs af en lang række videnskabelige problemer. Faktisk, Liang planlagde at anvende de eksperimentelle data mod et større projekt om kulstofbinding. Imidlertid, eksperimentet afslørede, at fysikken, der styrede strømmen, ikke var så afgjort som forskere troede.

Resultaterne viste, at den primære driver til denne type væskestrøm - kaldet solutal konvektion - var blevet overset. Hvad mere er, når denne driver er redegjort for, det vender fuldstændigt de forventede flowresultater.

"Til en vis grad, det er en game changer, "sagde Liang, der tjente sin ph.d. i petroleumsteknik i 2017 og arbejder nu for Hilcorp, et Houston-baseret energiselskab. "Vores eksperimenter og simuleringer viser, at det konvektive mønster styres af en anden proces end den, man tidligere troede. Folk vil indse, at der er meget mere dybtgående teorier, der skal undersøges om solut konvektion i porøse medier."

Resultaterne af Liangs forskning blev offentliggjort i tidsskriftet Geofysisk forskerbreve i september. Hans medforfattere omfatter Marc Hesse, lektor ved UT Jackson School of Geosciences og Institute for Computational Engineering and Sciences (ICES), David DiCarlo, lektor ved UT Hildebrand Department of Petroleum and Geosystems Engineering, og Baole Wen, en postdoktor ved Jackson School og ICES. DiCarlo og Hesse er Liangs ph.d. rådgivere.

I årtier har det været den videnskabelige konsensus, at balancen mellem tæthedsdrevne strømme og diffusion var den primære faktor, der styrer solut konvektion i porøse medier. Tanken gik:områder med tæt væske bevæger sig nedad, indtil diffusion eliminerer densitetsforskellen, der driver strømmen, skaber tætte fingre, der synker mod bunden. Generelt, fingrene skal være langt nok fra hinanden, så diffusion ikke kan smøre dem ud, når væsken synker. Derfor, fingrene blev generelt anset for at være længere fra hinanden i langsomme strømninger og tættere på hinanden i hurtige strømme drevet af større tæthedsforskelle.

På trods af at mønsteret er veletableret i computersimuleringer, Hesse sagde, at forskergruppen ikke var i stand til at finde eksperimentelle resultater, der demonstrerer denne grundlæggende adfærd. Så de udviklede en simpel bordplade-en gennemsigtig tank fyldt med glasperler og vand-til at observere konvektion i realtid. For at starte konvektionsprocessen, vandet blev toppet med et lag methanol og ethylenglycol-en blanding, der generelt er mindre tæt end vand, men bliver gradvist tættere og synker, da det undergår konvektion med vandet ved væskegrænsefladen.

Teamet forventede, at det klassiske smalle fingermønster skulle dukke op i eksperimenter, der brugte perler med større diameter. I stedet, det helt modsatte mønster dukkede op. Fingerafstanden øgedes med perlestørrelse.

"Her er disse helt grundlæggende fænomener, der forekommer i alle slags applikationer, er et klassisk eksempel på mønsterdannelse - og du laver eksperimenterne, og du får bogstaveligt talt det modsatte af, hvad alle forventer, "Hesse sagde." Dette viser, at der er noget helt ude i vores grundlæggende forståelse af denne proces. "

En dybere analyse viste, at dispersionen skabt af perler med større diameter havde en større indvirkning på det konvektive miljø end diffusion. Mens tidligere teorier om solut konvektion understreger diffusion, spredningen af ​​materialet i vandet i deres forsøg viste sig at være kontrolleret ved mekanisk spredning, hvilket fører til yderligere blanding af væskerne i poreskalaen.

"Med andre ord, det du flyder igennem er virkelig vigtigt, "sagde han." Spredningen bliver større med stigende kornstørrelse, og derfor bliver fingrene bredere, når du gør dette med større perler. "

Baseret på deres observationer af bord-eksperimentet, forskerne var i stand til at replikere deres fund med en beregningsmodel.

"Det centrale punkt er, at vi analyserer effekten af ​​spredning på konvektion i undergrunden baseret på vores eksperimentelle data og derefter bruger numeriske simuleringer i høj opløsning til at verificere vores analyse, "sagde Wen.

Selvfølgelig, den naturlige verden er meget mere kompleks end en tank fyldt med perler eller en forenklet model. Forskerne sagde, at forskere har mange faktorer at huske på, når de undersøger komplekse fænomener, der involverer konvektion, såsom CO2 -opsamling. Men DiCarlo sagde, at disse fund viser, at forskere, der studerer grundlaget for processen, har nogle nye faktorer at overveje.

"Arbejdet viser, at hvis man vil forudsige, hvordan CO2 opløses i undergrunden, eller lignende opløsningsproces, undersøgelsen skal omfatte spredning på den korrekte måde, "sagde han." Alle tidligere undersøgelser har ignoreret spredning. "

Hesse tilføjede, at de eksperimentelle resultater kan hjælpe med at tilføje en dosis virkelighed til beregningsmodeller, der har taget fejl i årtier.

"Hvis din numeriske simulering ikke engang kan simulere dette enkle eksperiment, jeg laver, hvilken tillid har du til, at det vil gøre det rigtige i en endnu mere kompliceret ramme, " han sagde.