桌面实验颠覆了当前对溶质对流的理解

当Yu“Alex”Liang在德克萨斯大学奥斯汀分校开始研究生学习时，他的任务是进行一项直接的实验，收集有关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。

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

调查结果显示，这种流体流动的主要驱动力 - 称为溶质对流 - 被忽视了。更重要的是，一旦考虑到这个驱动因素，它就完全颠覆了预期的流量结果。

“在某种程度上，这是一个改变游戏规则的人，”梁先生说，他获得了博士学位。2017年在石油工程领域工作，现在在总部位于休斯顿的能源公司Hilcorp工作。“我们的实验和模拟表明，对流模式是由一个不同于先前思想的过程控制的。人们将会意识到，在多孔介质中的解决对流中还有更多深入的理论需要探索。”

梁的研究结果发表在9月的地球物理研究员快报上。他的合着者包括UT杰克逊地球科学与计算工程与科学研究所(ICES)副教授Marc Hesse，UT希尔德布兰德石油与地球系统工程系副教授David DiCarlo以及Baole Wen ，杰克逊学院和ICES的博士后研究员。DiCarlo和Hesse是梁的博士。顾问。

数十年来，科学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。思路如下：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异，形成了向底部下沉的密集手指。通常，手指必须足够远，以便在流体下沉时扩散不会将它们涂抹。因此，通常认为手指在缓慢的流动中更加分开，并且在由更大的密度差异驱动的快速流动中更靠近在一起。

尽管这种模式在计算机模拟中已经很成熟，但Hesse说研究小组无法找到证明这种基本行为的实验结果。因此他们开发了一种简单的台式钻机 - 一个装满玻璃珠和水的透明水箱 - 用于实时观察溶质对流。为了开始对流过程，水上覆盖着一层甲醇和乙二醇 - 这种混合物总体上比水密度小，但随着与流体界面处的水进行对流，逐渐变得更稠密和下沉。

该团队期望在使用较大直径珠子的实验中出现经典的窄指模式。相反，出现了完全相反的模式。手指间距随珠粒尺寸增加而增加。

“这种非常基本的现象，发生在各种各样的应用中，是模式形成的典型例子 - 你做实验，你得到的确与每个人所期望的完全相反，”Hesse说。“这表明我们对这个过程的基本理解完全没有。”

更深入的分析表明，较大直径珠粒产生的分散对对流环境的影响大于扩散。虽然先前的溶质对流理论强调扩散，但实验中材料在水中的扩散由机械分散控制，这导致流体在孔隙尺度上的额外混合。

“换句话说，你所经历的是非常重要的，”他说。“随着颗粒尺寸的增加，分散性变得越来越大，这就是为什么当你用更大的珠子做手指时，手指会变宽。”

根据他们对桌面实验的观察，研究人员能够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色散对地下对流的影响，然后使用高分辨率数值模拟来验证我们的分析，”温说。

当然，自然界比装满珠子或简化模型的坦克复杂得多。研究人员表示，在研究涉及溶质对流的复杂现象时，科学家需要牢记许多因素，例如二氧化碳封存。但DiCarlo说，这些研究结果表明，研究该过程基本原理的科学家有一些新因素需要考虑。

“这项工作表明，如果想要预测二氧化碳在地下或类似的溶解过程中如何溶解，研究需要以正确的方式包括分散，”他说。“所有以前的研究都忽视了分散。”

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现实。

“如果你的数值模拟甚至无法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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