実験と数値計算の協働によるKorteweg効果を伴う部分混和系界面流体力学の深化

通过实验和数值计算之间的协作，利用 Korteweg 效应深化部分混溶系统的界面流体动力学

基本信息

批准号：
22K03900
负责人：
長津雄一郎
金额：
$ 2.75万
依托单位：
Tokyo University of Agriculture and Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K03900/
关键词：
Viscous fingering

项目摘要

本研究グループでは部分混和系Viscous fingering (VF)を実験、シミュレーションともに成功させたが、部分混和系においてVFを抑制する知見は得られておらず、課題となっていた。ポリエチレングリコール(PEG)水溶液、硫酸ナトリウム水溶液からなる水性二相系を用いることにより、常温常圧で非混和および部分混和を調製した。それから、多孔質媒質の二次元モデルであるヘレ・ショウセル内で、低粘性液体（硫酸ナトリウム水溶液）で高粘性液体（PEG水溶液）を置換する実験を行った。このとき、PEGの濃度をいくつか変えることで、非混和系に対してより不安定なVFになり液滴を形成するパターンに加えて、VFが完全に抑制されるパターンが得られることを発見した。このメカニズムを調べるために、先ほどとは逆にまず低粘性液体を満たし、その後で高粘性液体を一定量注入してから流体注入を停止させた静置流体界面を観察した。その結果、VFが不安定化する条件では相分離が生み出す自発流れが硫酸ナトリウム水溶液からPEG水溶液の向きに生じ、VFを抑制できる条件ではその自発流れがPEG水溶液から硫酸ナトリウム水溶液の向きに生じること、加えて非混和系ではその自発流れが生じないことを明らかにした。これらの実験結果を基に、フィンガーの先端の濃度勾配の方が根元の濃度勾配より大きく、それゆえ自発流れが大きくなるということを仮定すると、自発流れが硫酸ナトリウム水溶液からPEG水溶液の向きに生じるときVFが不安定化し、一方、自発流れがPEG水溶液から硫酸ナトリウム水溶液の向きに生じるときVFを抑制できることを説明できるというメカニズムを提示した。

尽管我们的研究小组在部分混相体系中的粘性指进（VF）实验和模拟均取得了成功，但我们还没有获得如何抑制部分混相体系中的VF的知识，这仍然是一个问题。通过使用由聚乙二醇（PEG）水溶液和硫酸钠水溶液组成的水性两相体系，在室温和压力下制备不混溶和部分混溶体系。然后，他们进行了一项实验，在 Helle-Shaw 池（多孔介质的二维模型）中用低粘度液体（硫酸钠水溶液）代替高粘度液体（PEG 水溶液）。此时，我们发现通过多种方式改变 PEG 的浓度，可以获得 VF 比不混溶体系更不稳定并形成液滴的模式，以及 VF 被完全抑制的模式。为了研究这一机制，我们观察了一个静止的流体界面，与前面的例子相反，我们首先填充低粘度液体，然后注入一定量的高粘度液体，然后停止流体注射。其结果是，在VF变得不稳定的条件下，发生从硫酸钠水溶液向PEG水溶液的相分离产生的自发流动，在能够抑制VF的条件下，发生从PEG水溶液向PEG水溶液的自发流动。此外，还发现在不混溶体系中不会发生这种自发流动。根据这些实验结果，假设指尖处的浓度梯度大于根部的浓度梯度，因此自发流变大，则自发流将发生在从硫酸钠水溶液到手指的方向上。我们提出了一种机制，可以解释为什么当PEG不稳定时VF变得不稳定，而当从PEG水溶液到硫酸钠水溶液的方向发生自发流动时VF可以被抑制。