Forskare har utforskat, för första gången, den trögflytande fingersättningen (VF, en av klassisk gränsytehydrodynamik) av en ringformad ring, där "fingrar" i en vätska med ändlig volym växer radiellt, genom en kombination av experiment och numerisk simulering. De visar att VF av en ringformad ring är ett ihållande fenomen.

Forskarna publicerade sina resultat i Journal of Fluid Mechanics den 6 april, 2021.

När en mindre trögflytande vätska rör sig i en mer trögflytande vätska i ett poröst medium, gränsytan mellan de två vätskorna blir instabil och deformeras i fingerform. Sedan 1950-talet, denna VF har studerats som en vätskedynamikfråga. VF kan klassificeras efter om den mindre trögflytande vätskan förskjuter den mer trögflytande rätlinjigt eller radiellt.

"Klassiskt, VF som bildas vid ett gränssnitt mellan två semi-oändliga domäner med olika viskositet har studerats. Dock, nyligen, VF som bildas vid antingen den främre eller bakre gränsytan av vätskan med ändlig volym har väckt uppmärksamhet eftersom sådan VF är relevant för kromatografi, spridning av grundvattenföroreningar, och förbättrad oljeåtervinning. Än så länge, VFs bildade i vätskor med ändlig volym i linjär geometri har huvudsakligen studerats endast genom numerisk simulering. Dock, VFs bildade i vätskor med ändlig volym i radiell geometri har sällan studerats experimentellt eller numeriskt." sa Dr. Nagatsu, en av motsvarande författare på tidningen, Docent vid Institutionen för kemiteknik vid Tokyo University of Agriculture and Technology (TUAT). "Detta beror på komplexiteten i att skapa ändlighet i experiment och svårigheter att numeriskt lösa de styrande ekvationerna."

Forskargruppen lyckades med integrerade analysexperiment och numerisk simulering på VF bildad i ändliga volymvätskor i radiell geometri (se figur). Experimenten utförs med hjälp av ett vatten-glycerol blandbart system i en Hele-Shaw-cell som är en experimentell apparat för att efterlikna de porösa mediumflödena. Simuleringen görs med hjälp av den tvåfasiga Darcy Law (TPDL) modulen av COMSOL (COMSOL Multiphysics).

"Vårt team fann att VF av en ringformad ring är ett ihållande fenomen i motsats till den övergående naturen hos VF i en skiva (se figur). Även om nya fingrar upphör att dyka upp efter en tid men på grund av den radiella spridningen av det tillgängliga området för VF, ett ändligt antal fingrar finns alltid kvar vid ett senare tillfälle. Vidare, vi visade tydligt att VF observerades endast om bredden på det finita lagret överstiger något värde, " förklarar Nagatsu.

"Tydligen visar våra resultat att dynamiken hos VF i ringformiga ringar är dramatiskt annorlunda än de klassiska radiella VF och rätlinjiga VF med en vätska inklämd mellan skikt av en annan. VF i ringform äger faktiskt rum vid spridning av grundvattenföroreningar, och förbättrad oljeåtervinning. Således, vårt fynd förväntas göra det möjligt för oss att göra mycket exakta förutsägelser av sådana processer, ", tillägger Nagatsu.