(Arriba) Digitación viscosa en la celda de Hele-Shaw, que es un espacio delgado entre dos placas paralelas. (Abajo) Esquemas de la interfaz totalmente miscible, inmiscible y parcialmente miscible y los resultados experimentales de digitación viscosa en cada sistema. Se observa un patrón de digitación viscoso clásico para los sistemas totalmente miscibles e inmiscibles. Sorprendentemente, en los sistemas parcialmente miscibles, observamos un patrón de formación de gotas múltiples: este es un nuevo cambio topológico del patrón de digitación viscoso. Crédito: Yuichiro Nagatsu / TUAT, Takahiko Ban / Universidad de Osaka, Manoranjan Mishra / IIT Ropar
Descubrimiento de un cambio topológico de una hidrodinámica interfacial por una miscibilidad parcial y la creación de una disciplina interdisciplinaria de termodinámica química e hidrodinámica interfacial.
El equipo de colaboración internacional de la Universidad de Agricultura y Tecnología de Tokio (TUAT) en Japón, el Instituto Indio de Tecnología Ropar (IIT Ropar) en India y la Universidad de Osaka en Japón ha descubierto por primera vez un cambio topológico de digitación viscosa (uno de los clásicos hidrodinámica interfacial), que es impulsada por “una miscibilidad parcial”, donde los dos líquidos no se mezclan completamente con solubilidad finita. Este cambio topológico se origina en una separación de fases y el movimiento espontáneo impulsado por ella. Es un fenómeno que no se puede ver con un sistema completamente mezclado (completamente miscible) con solubilidad infinita o un sistema inmiscible sin solubilidad.
Los investigadores publicaron sus resultados en el Revista de mecánica de fluidos el 30 de junio de 2020.
Cuando un fluido menos viscoso desplaza a un fluido más viscoso en un medio poroso, la interfaz entre los dos fluidos se vuelve hidrodinámicamente inestable y se deforma en forma de dedo. Este fenómeno se denomina técnicamente “digitación viscosa (VF)”. Desde la década de 1950, el VF se ha estudiado como un problema de dinámica de fluidos. Entonces, ahora es ampliamente conocido que las propiedades pueden clasificarse según el clima, los dos fluidos son completamente miscibles o inmiscibles. La dinámica de digitación viscosa ayuda a comprender el proceso de desplazamiento de fluidos en medios porosos en reacciones y separación en procesos químicos, así como en recuperación mejorada de petróleo y CO2 secuestro.
“Se ha señalado desde hace mucho tiempo que la digitación viscosa en fluidos parcialmente miscibles ocurre en procesos subterráneos con condiciones de alta presión, como la recuperación de petróleo y CO2 almacenamiento. Sin embargo, esta digitación viscosa ha sido teóricamente estudiada en los últimos años ”, dijo el Dr. Nagatsu, uno de los autores correspondientes del artículo y profesor asociado en el Departamento de Ingeniería Química de la Universidad de Agricultura y Tecnología de Tokio (TUAT). “No se han realizado estudios experimentales de este tipo de FV. Una de las razones es que los investigadores de mecánica de fluidos no utilizaron condiciones experimentales que fueran parcialmente miscibles a temperatura ambiente y presión atmosférica ”.
El equipo de investigación logró cambiar la miscibilidad del sistema a completamente miscible, inmiscible y parcialmente miscible con pocos cambios en las viscosidades a temperatura ambiente y presión atmosférica. Utilizaron un sistema acuoso de dos fases que consta de polietilenglicol (PEG), sulfato de sodio (Na2SO4) y agua (ver Figura), que se describen en el mismo artículo del equipo de investigación publicado en 2019. Aquí, en el parcialmente miscible sistema, una solución pura de PEG y una solución pura de Na2SO4 se disuelven entre sí con solubilidad finita y, como resultado, la fase se separa en una fase rica en PEG (fase L) y una fase rica en Na2SO4 (fase H) (ver Figura ).
Han llevado a cabo experimentos utilizando este sistema de solución en el que un líquido menos viscoso desplaza a uno más viscoso en una celda de Hele-Shaw (ver Figura), que es un modelo que imita el flujo en un medio poroso. “Nuestro equipo descubrió que se observa un cambio topológico en el caso de que los dos líquidos sean parcialmente miscibles (ver Figura y Película). Este es el primer caso de cambio topológico en la digitación viscosa, aunque hasta ahora se han informado varios cambios en el patrón debido a diversos efectos fisicoquímicos cuando los dos fluidos son completamente miscibles o inmiscibles. Demostramos claramente que este cambio topológico se origina en una separación de fases que ocurre entre los dos fluidos y el movimiento espontáneo impulsado por él ”, explica Nagatsu.
“Nuestro resultado anula el entendimiento común de más de 60 años en la investigación de la FV que comenzó en la década de 1950 de que las características de la FV se dividen en casos inmiscibles y completamente miscibles y demuestra la existencia e importancia del caso parcialmente miscible, que se convierte en el tercero categoría de clasificación. Esto abrirá una nueva área de investigación interdisciplinaria que involucra la hidrodinámica y la termodinámica química. Asimismo, el desplazamiento con miscibilidad parcial en un medio poroso tiene lugar en el proceso de recuperación de petróleo de la formación y el CO2 proceso de inyección en la formación. Por lo tanto, se espera que nuestro hallazgo cree una nueva metodología de control de esos procesos utilizando la miscibilidad parcial ”, agrega Nagatsu.
Referencia: “Efectos de separación de fases en una dinámica de digitación viscosa parcialmente miscible” por Ryuta X. Suzuki, Yuichiro Nagatsu, Manoranjan Mishra y Takahiko Ban, 30 de junio de 2020, Revista de mecánica de fluidos.
DOI: 10.1017 / jfm.2020.406
Este trabajo fue apoyado por PRESTO-JST (No. 25103004 “Interfaces de fase para una utilización de energía altamente eficiente”) y las becas de invitación JSPS para la investigación en Japón (No. S15063 y No. L19548).
