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。

该研究小组成功地对部分混乱的粘性指法（VF）成功进行了实验和模拟，但尚未获得部分抑制VF的部分混乱系统中的实验，这是一个挑战。通过使用由水性聚乙烯乙二醇（PEG）溶液和硫酸钠水溶液组成的水性两相系统，在室温和正常压力下制备了不混溶和部分混合的硫酸钠溶液。然后进行实验，其中在Helle-Shawcell中用低粘性液体（水溶液溶液）代替高粘性液体（硫酸盐水溶液），这是多孔培养基的二维模型。目前，我们发现，除了在不混溶系统中更不稳定的模式外，通过更改PEG的浓度几次，可以完全抑制VF的模式。为了研究这种机制，与上一个机制相比，我们观察到了一个静态液体界面，首先填充了低粘性液体，然后注入了固定量的高粘性液体，然后停止了液体注入。结果，有人发现，在VF不稳定的条件下，通过相分离产生的自发流是从硫酸钠水溶液沿PEG水溶液的方向出现的，在可以抑制VF的条件下，可以自发地从水溶液的方向上添加了自发的溶解液，并在硫酸盐的方向上添加硫酸盐的方向，并构成硫酸盐的方向，并在硫酸盐溶液中构成硫酸盐的方向，并在硫酸盐溶液中产生，并在硫酸盐溶液中产生，并在硫酸盐溶液的方向上构成了硫酸盐的溶液，并在硫酸盐溶液中产生。不会发生自发流动。基于这些实验结果，我们提出了一种可以解释的机制，假设手指尖端的浓度梯度大于根部的浓度梯度，因此自发性流量更大，因此，当自发性流量从硫酸盐溶液中抑制时，VF可能会稳定，而在硫酸盐溶液中会降低，而在硫酸盐的方向上则可以抑制硫酸盐，而在硫酸盐的方向上，则可以在硫酸含量的溶液中抑制，同时硫酸盐的液体流动，而在硫酸盐的方向上则可以稳定。硫酸钠水溶液的方向水溶液。