Когда Ю «Алекс» Лян начал аспирантуру в Техасском университете в Остине, ему было поручено провести прямой эксперимент по сбору данных о хорошо изученном явлении в механике жидкости: как различия в плотности влияют на течение жидкости в пористой среде. ,

Конвекция в правом столбце намного сильнее, чем в левом. Эксперименты (вверху) показывают, что конвективный рисунок укрупняется при большем размере зерна (справа), в то время как классические исследования (в центре) обычно предсказывают обратное. После рассмотрения влияния механической дисперсии результаты нового моделирования (внизу) хорошо согласуются с экспериментальными наблюдениями. Фото: Liang et al .

Это сценарий, который разыгрывает широкий спектр научных проблем. Фактически, Лян планировал применить экспериментальные данные для более крупного проекта по улавливанию углерода. Тем не менее, эксперимент показал, что физика, управляющая потоком, была не так решена, как думали ученые.

Полученные результаты показали, что основной движитель этого типа потока жидкости, называемый конвекцией, был упущен из виду. Более того, как только этот драйвер учтен, он полностью отражает ожидаемые результаты потока.

«В какой-то степени это изменит правила игры», — сказал Лян, который получил докторскую степень. в нефтяной инженерии в 2017 году и в настоящее время работает в Hilcorp, расположенной в Хьюстоне энергетической компании. «Наши эксперименты и моделирование показывают, что конвективная картина контролируется процессом, отличным от того, который предполагался ранее. Люди поймут, что существует гораздо больше глубоких теорий, которые должны быть изучены в области растворной конвекции в пористых средах ».

Результаты исследования Ляна были опубликованы в журнале Geophysical Researcher Letters в сентябре. Среди его соавторов — Марк Хессе, доцент Школы геологических наук имени У.Т. Джексона и Института вычислительной инженерии и наук (ICES), Дэвид ДиКарло, доцент кафедры нефтегазовой инженерии и геологии UT, Г-н Баоле Вэнь , докторскую степень в школе Джексона и ICES. ДиКарло и Гессе — доктор философии Ляна консультанты.

На протяжении десятилетий был достигнут научный консенсус в отношении того, что баланс между плотностными токами и диффузией являлся основным фактором, контролирующим конвекцию вещества в пористых средах. Мысль пошла дальше: области плотной жидкости движутся вниз, пока диффузия не устранит разницу в плотности, приводя поток в движение, создавая плотные пальцы, которые опускаются вниз. В общем, пальцы должны быть достаточно далеко друг от друга, чтобы диффузия не могла размазывать их по мере погружения жидкости. Таким образом, считалось, что пальцы находятся дальше друг от друга в медленных потоках и ближе друг к другу в быстрых потоках, вызванных большими различиями в плотности.

Несмотря на то, что модель хорошо зарекомендовала себя в компьютерном моделировании, Гессе сказал, что исследовательская группа не смогла найти экспериментальные результаты, демонстрирующие это основное поведение. Поэтому они разработали простую настольную установку — прозрачный резервуар, наполненный стеклянными шариками и водой, — для наблюдения за конвекцией в реальном времени. Чтобы начать процесс конвекции, вода была покрыта слоем метанола и этиленгликоля — смеси, которая в целом менее плотная, чем вода, но постепенно становится более плотной и опускается, поскольку она подвергается конвекции с водой на границе раздела текучей среды.

Команда ожидала появления классического узкого пальца в экспериментах, в которых использовались бусы большего диаметра. Вместо этого возникла полная противоположная картина. Расстояние между пальцами увеличивалось с увеличением размера борта.

«Вот этот самый базовый феномен, который происходит во всех видах приложений, является классическим примером формирования паттерна — и вы проводите эксперименты, и вы получаете буквально противоположное тому, что все ожидают», — сказал Гессе. «Это показывает, что что-то совершенно не в нашем базовом понимании этого процесса».

Более глубокий анализ показал, что дисперсия, созданная шариками большего диаметра, оказала большее влияние на конвективную среду, чем диффузия. В то время как предыдущие теории солютальной конвекции подчеркивали диффузию, распространение материала в воде в их экспериментах, как оказалось, контролировалось механическим диспергированием, что приводит к дополнительному перемешиванию жидкостей в масштабе пор.

«Другими словами, то, через что вы проходите, действительно важно», — сказал он. «Дисперсия увеличивается с увеличением размера зерна, и поэтому пальцы становятся шире, когда вы делаете это с более крупными шариками».

Основываясь на своих наблюдениях за настольным экспериментом, исследователи смогли повторить свои выводы с помощью вычислительной модели.

«Ключевым моментом является то, что мы анализируем влияние дисперсии на конвекцию в недрах на основе наших экспериментальных данных, а затем используем численное моделирование с высоким разрешением для проверки нашего анализа», — сказал Вен.

Конечно, мир природы намного сложнее, чем танк, наполненный бисером, или упрощенная модель. Исследователи говорят, что учёные должны учитывать множество факторов при исследовании сложных явлений, которые включают в себя растворную конвекцию, например, секвестрацию CO2. Но ДиКарло сказал, что эти результаты показывают, что у ученых, изучающих основы процесса, есть некоторые новые факторы, которые следует учитывать.

«Работа показывает, что если кто-то хочет предсказать, как CO2 растворяется в недрах или подобный процесс растворения, исследование должно включать дисперсию правильным образом», — сказал он. «Все предыдущие исследования игнорировали дисперсию».

Гессе добавил, что экспериментальные результаты могут помочь добавить дозу реальности к вычислительным моделям, которые ошибались в течение десятилетий.

«Если ваше численное моделирование не может даже смоделировать этот простой эксперимент, который я делаю, вы уверены, что он будет делать правильные вещи в еще более сложной обстановке», — сказал он.

По материалам phys.org