Het internationale samenwerkingsteam van de Tokyo University of Agriculture and Technology (TUAT) in Japan, Indian Institute of Technology Ropar (IIT Ropar) in India, en de Universiteit van Osaka in Japan heeft voor het eerst een topologische verandering van viskeuze vingerzetting ontdekt (een van de klassieke grensvlakhydrodynamica), die wordt aangedreven door "een gedeeltelijke mengbaarheid, " waar de twee vloeistoffen niet volledig mengen met eindige oplosbaarheid. Deze topologische verandering komt voort uit een fasescheiding en de spontane beweging die daardoor wordt aangedreven. Het is een fenomeen dat niet kan worden gezien met een volledig gemengd (volledig mengbaar) systeem met oneindige oplosbaarheid of niet-mengbare systeem zonder oplosbaarheid.

De onderzoekers publiceerden hun resultaten in de Journal of Fluid Mechanics op 30 juni, 2020.

Wanneer een minder viskeuze vloeistof een meer viskeuze vloeistof in poreuze media verdringt, het grensvlak tussen de twee vloeistoffen wordt hydrodynamisch onstabiel en vervormt in de vorm van een vinger. Dit fenomeen wordt technisch "viskeuze vingerzetting (VF)" genoemd. Sinds de jaren vijftig, de VF is bestudeerd als een probleem met de vloeistofdynamica. Vervolgens, het is nu algemeen bekend dat de eigenschappen kunnen worden geclassificeerd op basis van het weer of de twee vloeistoffen volledig mengbaar of niet-mengbaar zijn. De viskeuze vingerzettingsdynamiek helpt om het proces van vloeistofverplaatsing in poreuze media in reacties en scheiding in chemische processen te begrijpen, evenals in verbeterde oliewinning en CO ₂ beslaglegging.

"Er is al lang op gewezen dat stroperige vingerzetting in gedeeltelijk mengbare vloeistoffen optreedt in ondergrondse processen met hoge druk, zoals oliewinning en CO ₂ opslag. Echter, dergelijke stroperige vingerzetting is de laatste jaren theoretisch bestudeerd, " zei Dr. Nagatsu, een van de corresponderende auteurs op het papier en universitair hoofddocent bij de afdeling Chemische Technologie aan de Tokyo University of Agriculture and Technology (TUAT). "Experimentele studies van dergelijke VF zijn helemaal niet gedaan. Een van de redenen is dat vloeistofmechanica-onderzoekers geen experimentele omstandigheden hebben gebruikt die gedeeltelijk mengbaar waren bij kamertemperatuur en atmosferische druk."

Het onderzoeksteam slaagde erin de mengbaarheid van het systeem te veranderen in volledig mengbaar, niet mengbaar, en gedeeltelijk mengbaar met weinig verandering in de viscositeiten bij kamertemperatuur en atmosferische druk. Ze gebruikten een waterig tweefasensysteem bestaande uit polyethyleenglycol (PEG), natriumsulfaat (Na ₂ DUS ₄ ), en water, die werden beschreven in de paper van hetzelfde onderzoeksteam die in 2019 werd gepubliceerd. Hier, in het gedeeltelijk mengbare systeem, een zuivere PEG-oplossing en een zuivere Na ₂ DUS ₄ oplossing lost elkaar op met eindige oplosbaarheid, en als een resultaat, de fase wordt gescheiden in een PEG-rijke fase (fase L) en een Na ₂ DUS ₄ -rijke fase (fase H).

Ze hebben experimenten uitgevoerd met behulp van dit oplossingssysteem waarin een minder viskeuze vloeistof een meer viskeuze vloeistof verdringt in een Hele-Shaw-cel, een model dat stroming in poreuze media nabootst. "Ons team ontdekte dat topologische verandering wordt waargenomen in het geval dat de twee vloeistoffen gedeeltelijk mengbaar zijn. Dit is het eerste geval van topologische verandering in viskeuze vingerzetting, hoewel verschillende veranderingen in het patroon als gevolg van verschillende fysisch-chemische effecten, tot dusver, zijn gemeld wanneer de twee vloeistoffen volledig of niet mengbaar zijn. We hebben duidelijk aangetoond dat deze topologische verandering voortkomt uit een fasescheiding die optreedt tussen de twee vloeistoffen en de spontane beweging die daardoor wordt aangedreven, ' legt Nagatsu uit.

"Ons resultaat vernietigt het algemene begrip van meer dan 60 jaar in VF-onderzoek dat begon in de jaren 1950 dat de kenmerken van VF zijn verdeeld in niet-mengbare en volledig mengbare gevallen en het toont het bestaan ​​en het belang aan van het gedeeltelijk mengbare geval, die de derde classificatiecategorie wordt. Dit opent een nieuw interdisciplinair onderzoeksgebied met betrekking tot hydrodynamica en chemische thermodynamica. Ook, de verplaatsing met gedeeltelijke mengbaarheid in een poreus medium vindt plaats in het oliewinningsproces uit de formatie en de CO ₂ injectieproces in de formatie. Dus, onze bevinding zal naar verwachting een nieuwe controlemethodologie van die processen creëren door gebruik te maken van de gedeeltelijke mengbaarheid, ", voegt Nagatsu toe.