När Yu "Alex" Liang började forskarskolan vid University of Texas i Austin, han fick i uppdrag att köra ett rakt fram experiment för att samla in data om ett välförstått fenomen inom vätskemekanik:hur densitetsskillnader påverkar vätskeflödet i ett poröst medium.

Det är ett scenario som spelar ut över ett brett spektrum av vetenskapliga problem. Faktiskt, Liang planerade att tillämpa experimentella data mot ett större projekt om koldioxidbindning. Dock, experimentet avslöjade att fysiken som styr flödet inte var så avgjort som forskare trodde.

Resultaten avslöjade att den främsta drivkraften för denna typ av vätskeflöde - kallad solutal konvektion - hade förbises. Vad mer, när den här drivrutinen redovisas, det vänder helt de förväntade flödesresultaten.

"Till en viss grad, det är en spelväxlare, "sa Liang, som tog sin doktorsexamen inom petroleumsteknik 2017 och arbetar nu för Hilcorp, ett Houston-baserat energibolag. "Våra experiment och simuleringar visar att det konvektiva mönstret styrs av en annan process än vad man tidigare trodde. Folk kommer att inse att det finns mycket mer fördjupade teorier att utforska om solut konvektion i porösa medier."

Resultaten av Liangs forskning publicerades i tidskriften Geofysiska forskarbrev i september. Hans medförfattare inkluderar Marc Hesse, docent vid UT Jackson School of Geosciences och Institute for Computational Engineering and Sciences (ICES), David DiCarlo, docent vid UT Hildebrand Department of Petroleum and Geosystems Engineering, och Baole Wen, en postdoktor vid Jackson School och ICES. DiCarlo och Hesse är Liangs doktorand. rådgivare.

I årtionden har det varit den vetenskapliga samsynen att balansen mellan densitetsdrivna strömmar och diffusion var den primära faktorn som styr lös konvektion i porösa medier. Tanken gick:områden med tät vätska rör sig nedåt tills diffusion eliminerar densitetsskillnaden som driver flödet, skapa täta fingrar som sjunker mot botten. I allmänhet, fingrarna måste vara tillräckligt långt ifrån varandra så att diffusion inte kan smeta ut dem när vätskan sjunker. Därför, fingrarna ansågs generellt vara längre ifrån varandra i långsamma flöden och närmare varandra i snabba flöden som drivs av större densitetsskillnader.

Trots att mönstret är väl etablerat i datasimuleringar, Hesse sa att forskargruppen inte kunde hitta experimentella resultat som visar detta grundläggande beteende. Så de utvecklade en enkel bordsrigg-en transparent tank fylld med glaspärlor och vatten-för att observera konvektion i realtid. För att starta konvektionsprocessen, vattnet toppades med ett lager metanol och etylenglykol-en blandning som totalt sett är mindre tät än vatten, men blir gradvis tätare och sjunker när det genomgår konvektion med vattnet vid vätskegränssnittet.

Teamet förväntade sig att det klassiska smala fingermönstret skulle dyka upp i experiment som använde pärlor med större diameter. Istället, det helt motsatta mönstret framkom. Fingeravståndet ökade med pärlstorleken.

"Här är detta mycket grundläggande fenomen, som förekommer i alla möjliga applikationer, är ett klassiskt exempel på mönsterbildning - och du gör experimenten och du får bokstavligen motsatsen till vad alla förväntar sig, "Hesse sa." Detta visar att något är helt fel i vår grundläggande förståelse av denna process. "

En djupare analys visade att spridningen som skapades av pärlor med större diameter hade större inverkan på den konvektiva miljön än diffusion. Medan tidigare teorier om lös konvektion betonar diffusion, spridningen av materialet i vattnet i deras experiment visade sig styras av mekanisk spridning, vilket leder till ytterligare blandning av vätskorna vid porskalan.

"Med andra ord, det du flyter igenom är verkligen viktigt, "sa han." Spridningen blir större med ökad kornstorlek, och det är därför fingrarna blir bredare när du gör det här med större pärlor. "

Baserat på deras observationer av bordsförsöket, forskarna kunde replikera sina resultat med en beräkningsmodell.

"Nyckelpunkten är att vi analyserar effekten av spridning på konvektion i underjorden baserat på våra experimentella data och sedan använder högupplösta numeriska simuleringar för att verifiera vår analys, sa Wen.

Självklart, naturvärlden är mycket mer komplex än en tank fylld med pärlor eller en förenklad modell. Forskarna sa att forskare har många faktorer att tänka på när man undersöker komplexa fenomen som involverar lös konvektion, såsom koldioxidbindning. Men DiCarlo sa att dessa fynd visar att forskare som studerar processens grunder har några nya faktorer att tänka på.

"Arbetet visar att om man vill förutsäga hur CO2 löser sig i underjorden, eller liknande upplösningsprocess, studien måste inkludera spridning på rätt sätt, "sa han." Alla tidigare studier har ignorerat spridning. "

Hesse tillade att de experimentella resultaten kan hjälpa till att lägga till en dos av verklighet till beräkningsmodeller som har gjort det fel i decennier.

"Om din numeriska simulering inte ens kan simulera detta enkla experiment som jag gör, vilket förtroende har du för att det kommer att göra rätt i en ännu mer komplicerad miljö, " han sa.