桌面实验颠覆当前对溶质对流的认识

当Yu“Alex”Liang在奥斯汀的德克萨斯大学开始他的研究生学习时，他的任务是进行一项直接实验，以收集关于流体力学中一个众所周知的现象的数据：密度差异如何影响多孔介质中的流体流动。

这是一个跨越广泛科学问题的场景。事实上，梁正计划将实验数据应用于一个更大的碳封存项目。然而，实验表明，控制流动的物理学并不像科学家认为的那样稳定。

研究结果表明，这种流体流动的主要驱动力——称为溶质对流——被忽略了。更重要的是，一旦考虑到这个司机，就完全颠覆了预期的流量结果。

“在某种程度上，这是一个游戏规则的改变者，”获得博士学位的梁先生说。2017年，他从事石油工程领域的工作，现在就职于总部位于休斯顿的能源公司Hilcorp。“我们的实验和模拟表明，对流模式是由一个不同于以前想法的过程控制的。人们会意识到，在求解多孔介质中的对流时，还有更深入的理论有待探索。”

梁的研究成果发表在9月的《地球物理研究者快报》上。他的合著者包括犹他州杰克逊地球科学和计算工程与科学研究所(ICES)副教授Marc Hesse、犹他州希尔德布兰德石油和地球系统工程系副教授David DiCarlo以及杰克逊学院和ICES博士后研究员Baole Wen。迪卡洛和海斯是梁的医生。顾问。

几十年来，科学界的共识是，密度驱动电流和扩散之间的平衡是控制多孔介质中溶质对流的主要因素。想法如下：稠密流体区域向下移动，直到扩散消除了驱动流动的密度差，形成沉入底部的稠密指状物。通常，手指必须足够远，以便当流体下沉时，扩散不会弄脏它们。因此，一般认为，在较大的密度差的驱动下，手指在慢流中离得更远，在快流中靠得更近。

虽然这种模型在计算机模拟方面已经成熟，但Hesse表示，研究小组找不到实验结果来证明这种基本行为。所以他们开发了一个简单的台钻——一个装满玻璃珠和水的透明水箱——用于实时观察溶质对流。为了启动对流过程，水被一层甲醇和乙二醇覆盖——这种混合物的密度一般比水小，但随着它在流体界面上与水对流，密度逐渐变大并下沉。

该小组预计，经典的窄手指模式将出现在使用更大直径珠子的实验中。相反，完全相反的模式出现了。手指间距随着珠子尺寸的增加而增加。

“这种在各种应用中出现的非常基本的现象是模式形成的典型例子——你做实验，你得到的结果与所有人的预期完全相反，”Hesse说。“这表明我们对这一过程的基本理解完全缺失。”

进一步分析表明，较大直径珠子的弥散对对流环境的影响大于扩散。虽然之前的溶质对流理论强调扩散，但在实验中，物质在水中的扩散是由机械分散控制的，这导致了孔隙尺度上流体的额外混合。

“换句话说，你经历的事情非常重要，”他说。“随着颗粒大小的增加，分散度变得越来越大，这就是为什么当你用更大的珠子制作手指时，你的手指会变宽。”

根据他们对桌面实验的观察，研究人员可以用计算模型复制他们的发现。

“关键是我们根据实验数据分析了弥散对地下对流的影响，然后用高分辨率数值模拟来验证我们的分析，”温说。

当然，自然要比装满珠子的坦克或者简化的模型复杂得多。研究人员表示，在研究涉及溶质对流的复杂现象时，科学家需要记住许多因素，例如二氧化碳封存。但迪卡洛表示，这些结果表明，研究这一过程基本原理的科学家有一些新的因素需要考虑。

“这项工作表明，如果你想预测二氧化碳如何在地下溶解或类似的溶解过程，这项研究需要以正确的方式包括扩散，”他说。"以前的所有研究都忽略了离差."

Hesse补充说，实验结果可以帮助为几十年来一直错误的计算模型增加一些真实性。

“如果你的数值模拟甚至不能模拟我正在做的这个简单的实验，你有什么信心它会在更复杂的环境中做正确的事情，”他说。

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