Toen Yu "Alex" Liang begon met afstuderen aan de Universiteit van Texas in Austin, hij kreeg de taak om een ​​eenvoudig experiment uit te voeren om gegevens te verzamelen over een goed begrepen fenomeen in de vloeistofmechanica:hoe dichtheidsverschillen de vloeistofstroom in een poreus medium beïnvloeden.

Het is een scenario dat zich afspeelt in een breed scala van wetenschappelijke problemen. In feite, Liang was van plan de experimentele gegevens toe te passen op een groter project over koolstofvastlegging. Echter, het experiment onthulde dat de fysica die de stroom regelt, niet zo geregeld was als wetenschappers dachten.

De bevindingen onthulden dat de primaire aanjager van dit type vloeistofstroom - solutale convectie genaamd - over het hoofd was gezien. Bovendien, zodra deze bestuurder is geregistreerd, het draait de verwachte stroomresultaten volledig om.

"Tot op zekere hoogte, het is een gamechanger, " zei Liang, die zijn Ph.D. in petroleum engineering in 2017 en werkt nu voor Hilcorp, een in Houston gevestigd energiebedrijf. "Onze experimenten en simulaties laten zien dat het convectieve patroon wordt gecontroleerd door een ander proces dan eerder werd gedacht. Mensen zullen zich realiseren dat er veel meer diepgaande theorieën zijn over solutale convectie in poreuze media."

De resultaten van Liang's onderzoek zijn gepubliceerd in het tijdschrift Geofysische onderzoekersbrieven in september. Zijn co-auteurs zijn onder meer Marc Hesse, een universitair hoofddocent aan de UT Jackson School of Geosciences en het Institute for Computational Engineering and Sciences (ICES), David DiCarlo, een universitair hoofddocent aan de UT Hildebrand Department of Petroleum and Geosystems Engineering, en Baole Wen, een postdoctoraal onderzoeker aan de Jackson School en ICES. DiCarlo en Hesse zijn Liang's Ph.D. adviseurs.

Decennialang was de wetenschappelijke consensus dat het evenwicht tussen door dichtheid aangedreven stromen en diffusie de belangrijkste factor was die de convectie van de oplossing in poreuze media beheerste. Het denken ging:gebieden met dichte vloeistof bewegen naar beneden totdat diffusie het dichtheidsverschil elimineert dat de stroom aandrijft, het creëren van dichte vingers die naar de bodem zinken. In het algemeen, de vingers moeten ver genoeg uit elkaar zijn zodat diffusie ze niet kan uitsmeren als de vloeistof zakt. Daarom, Over het algemeen werd gedacht dat de vingers verder uit elkaar lagen bij langzame stromingen en dichter bij elkaar in snelle stromingen, aangedreven door grotere dichtheidsverschillen.

Ondanks dat het patroon goed ingeburgerd is in computersimulaties, Hesse zei dat het onderzoeksteam geen experimentele resultaten kon vinden die dit basisgedrag aantonen. Dus ontwikkelden ze een eenvoudige tafelopstelling - een transparante tank gevuld met glasparels en water - om solutale convectie in realtime te observeren. Om het convectieproces te starten, het water was bedekt met een laag methanol en ethyleenglycol - een mengsel dat over het algemeen minder dicht is dan water, maar wordt geleidelijk dichter en zinkt naarmate het convectie ondergaat met het water op het vloeistofgrensvlak.

Het team verwachtte dat het klassieke smalle vingerpatroon zou ontstaan ​​in experimenten met kralen met een grotere diameter. In plaats daarvan, het volledig tegenovergestelde patroon ontstond. De vingerafstand nam toe met de kraalgrootte.

"Hier is dit zeer fundamentele fenomeen, die in allerlei toepassingen voorkomt, is een klassiek voorbeeld van patroonvorming - en je doet de experimenten en je krijgt letterlijk het tegenovergestelde van wat iedereen verwacht, "Zei Hesse. "Dit toont aan dat er iets totaal niet klopt in ons basisbegrip van dit proces."

Een diepere analyse onthulde dat de dispersie gecreëerd door de kralen met grotere diameter een grotere impact had op de convectieve omgeving dan diffusie. Terwijl eerdere theorieën over solutale convectie de nadruk leggen op diffusie, de verspreiding van het materiaal in het water in hun experimenten bleek te worden gecontroleerd door mechanische dispersie, wat leidt tot het extra mengen van de vloeistoffen op de porieschaal.

"Met andere woorden, waar je doorheen stroomt is echt belangrijk, " zei hij. "De dispersie wordt groter naarmate de korrelgrootte toeneemt, en daarom worden de vingers breder als je dit doet met grotere kralen."

Op basis van hun observaties van het tafel-experiment, de onderzoekers konden hun bevindingen repliceren met een rekenmodel.

"Het belangrijkste punt is dat we het effect van dispersie op convectie in de ondergrond analyseren op basis van onze experimentele gegevens en vervolgens numerieke simulaties met hoge resolutie gebruiken om onze analyse te verifiëren, " zei Wen.

Natuurlijk, de natuurlijke wereld is veel complexer dan een tank gevuld met kralen of een vereenvoudigd model. De onderzoekers zeiden dat wetenschappers veel factoren in gedachten moeten houden bij het onderzoeken van complexe verschijnselen waarbij solutale convectie betrokken is, zoals CO2-opslag. Maar DiCarlo zei dat deze bevindingen aantonen dat wetenschappers die de fundamenten van het proces bestuderen, een aantal nieuwe factoren in overweging moeten nemen.

"Het werk laat zien dat als je wilt voorspellen hoe CO2 oplost in de ondergrond, of soortgelijk ontbindingsproces, de studie moet spreiding op de juiste manier omvatten, " zei hij. "Alle eerdere studies hebben verspreiding genegeerd."

Hesse voegde eraan toe dat de experimentele resultaten kunnen helpen een dosis realiteit toe te voegen aan computationele modellen die het al tientallen jaren verkeerd doen.

"Als je numerieke simulatie dit simpele experiment dat ik doe niet eens kan simuleren, hoeveel vertrouwen heb je dat het het juiste zal doen in een nog ingewikkelder omgeving, " hij zei.