Ny undersøgelse kan revidere en 60-årig teori om flydende viskøse væsker

Det internationale samarbejdsteam ved Tokyo University of Agriculture and Technology (TUAT) i Japan, Indian Institute of Technology Ropar (IIT Ropar) i Indien, og Osaka University i Japan har for første gang opdaget en topologisk ændring af viskøs fingering (en af ​​klassisk interfacial hydrodynamik), som er drevet af "en del blandbarhed, "hvor de to væsker ikke blandes fuldstændigt med endelig opløselighed. Denne topologiske ændring stammer fra en faseseparation og den spontane bevægelse drevet af den. Det er et fænomen, der ikke kan ses med et fuldstændigt blandet (fuldt blandbart) system med uendelig opløselighed eller ublandbar system uden opløselighed.

Forskerne offentliggjorde deres resultater i Journal of Fluid Mechanics den 30. juni, 2020.

Når en mindre viskøs væske fortrænger en mere viskøs væske i porøse medier, grænsefladen mellem de to væsker bliver hydrodynamisk ustabil og deformeres i en fingerform. Dette fænomen kaldes teknisk "Viskøs fingering (VF)". Siden 1950'erne har VF er blevet undersøgt som et problem med væskedynamik. Derefter, det er nu almindeligt kendt, at egenskaberne kan klassificeres efter vejr, de to væsker er fuldt blandbare eller ikke blandbare. Den tyktflydende fingerdynamik hjælper med at forstå processen med væskeforskydning i porøse medier i reaktioner og adskillelse i kemiske processer, såvel som i forbedret olieindvinding og CO ₂ sekvestrering.

"Det er længe blevet påpeget, at tyktflydende fingering i delvist blandbare væsker forekommer i underjordiske processer med højtryksbetingelser, såsom olieindvinding og CO ₂ opbevaring. Imidlertid, sådan tyktflydende fingering er teoretisk undersøgt i de sidste par år, sagde Dr. Nagatsu, en af ​​de tilsvarende forfattere på papiret og lektor i Institut for Kemiteknik ved Tokyo University of Agriculture and Technology (TUAT). "Eksperimentelle undersøgelser af sådan VF er slet ikke blevet udført. En af årsagerne er, at fluidmekanikforskere ikke brugte eksperimentelle forhold, der var delvist blandbare ved stuetemperatur og atmosfærisk tryk."

Det er lykkedes forskerholdet at ændre systemets blandbarhed til fuldt blandbar, ublandbare, og delvist blandbar med lille ændring i viskositeterne ved stuetemperatur og atmosfærisk tryk. De brugte et vandigt tofasesystem bestående af polyethylenglycol (PEG), natriumsulfat (Na ₂ SÅ ₄ ), og vand, som blev beskrevet i det samme forskerholds papir, der blev offentliggjort i 2019. Her i det delvis blandbare system, en ren PEG -opløsning og en ren Na ₂ SÅ ₄ opløsning opløser hinanden med endelig opløselighed, og som følge heraf, fasen adskilles i en PEG-rig fase (fase L) og en Na ₂ SÅ ₄ -rig fase (fase H).

De har udført eksperimenter ved at bruge dette løsningssystem, hvor en mindre viskøs væske fortrænger en mere viskøs i en Hele-Shaw-celle, som er en model, der efterligner strømning i porøse medier. "Vores team fandt ud af, at topologisk ændring observeres i det tilfælde, hvor de to væsker er delvist blandbare. Dette er det første tilfælde af topologisk ændring i viskøs fingering, selvom forskellige ændringer i mønsteret skyldes forskellige fysisk -kemiske virkninger, indtil nu, er blevet rapporteret, når de to væsker er fuldt blandbare eller ikke blandbare. Vi viste klart, at denne topologiske ændring stammer fra en faseseparation mellem de to væsker og den spontane bevægelse drevet af den, ”Forklarer Nagatsu.

"Vores resultat vælter den fælles forståelse for mere end 60 år inden for VF -forskning, der begyndte i 1950'erne, at egenskaberne ved VF er opdelt i ikke -blandbare og fuldt blandbare sager, og det demonstrerer eksistensen og betydningen af ​​den delvist blandbare sag, som bliver den tredje klassifikationskategori. Dette åbner et nyt tværfagligt forskningsområde, der involverer hydrodynamik og kemisk termodynamik. Også, forskydningen med delvis blandbarhed i et porøst medium finder sted i olieindvindingsprocessen fra formationen og CO ₂ injektionsproces i formationen. Dermed, vores fund forventes at skabe ny kontrolmetode for disse processer ved at udnytte den delvise blandbarhed, "tilføjer Nagatsu.