FlowConn: Connectivity enhancement due to thin liquid films in porous media flows

Har du noen gang lagt merke til en regndråpe som glir nedover frontruten på en bil og etterlater seg et tynt spor av vann? Når dråpen beveger seg, tørker ikke glasset ut umiddelbart, og det blir ofte liggende igjen et tynt lag med vann, noen ganger en god stund. Hvis glassoverflaten var litt ru i stedet for glatt, ville disse vannfilmene blitt liggende enda lenger. Det er akkurat det samme som skjer i porøse materialer som jord og stein. Etter en storm, når solen begynner å tørke opp jorden, skulle man kanskje tro at bakken raskt mister fuktigheten. Men selv når det meste av vannet er borte, henger det små væskefilmer på overflaten av jordpartiklene. På en frontrute kan disse filmene være interessante å se på. Men inne i jorden gjør de mye mer: De skaper forbindelser mellom ulike deler av jorden, som et skjult nettverk av små vannbroer. Se for deg en usynlig by, der vannets gater og veier strekker seg gjennom jorden. Røttene er avhengige av disse nettverkene for å absorbere næringsstoffer, men forurensende stoffer kan også bevege seg raskt gjennom dem og spre seg raskt i jorden. I dette prosjektet dykker vi ned i denne skjulte verdenen og studerer hvordan disse væskefilmene dannes og oppfører seg i porøse medier. Siden naturlig jord ikke er gjennomsiktig, lager vi tilpassede modeller laget av glass eller gjennomsiktig 3D-printet materialer, slik at vi kan observere dette skjulte vann-nettverket i aksjon. Vi skal undersøke hvordan vi kan designe og optimalisere dette systemet for å oppnå en mest mulig effektiv transport. Ved hjelp av datasimuleringer og matematisk modellering basert på nettverksteori — de samme prinsippene som styrer trafikkflyten i byer — skal vi kartlegge strukturen og oppførselen til dette lille, livsviktige nettverket. Til syvende og sist har forskningen vår som mål å avdekke dynamikken i vanntransporten i jordsmonnet, og kaste lys over hvordan denne kunnskapen kan bidra til å løse kritiske utfordringer, som å kontrollere spredningen av forurensende stoffer og forbedre forvaltningen av naturressurser.

The flow of liquids and gases inside porous networks is a rather common process. It happens for example when rain falls on a dry soil: as the water moves in, it displaces air from the pores between the soil grains. It is also very important for many industrial and environmental applications related for example to the storage of CO2 inside depleted oil reservoirs and the remediation of contaminated soils. In many of those fluid displacement processes, thin layers of liquid are left on the surface of the grains forming the porous network (for example, seemingly dry soils frequently have thin layers of water covering their grains). Those thin layers play a significant role: they can connect distant parts of the system. This effect brings some positive and negative consequences. The enhanced thin film connectivity is used by plants to obtain water and nutrients, but it also provides a pathway for the fast spreading of pollutants inside the soils. It is very important to understand these effects and this is the primary goal of this project: to produce a physics-grounded explanation for the stability and transport properties of the thin liquid film network. This will be done via experiments, theoretical analysis and numerical simulations. Our experimental approach will be based on the use of custom-built transparent porous samples, where we can directly map the whole thin film network. This mapping is very useful and prior to our recent work it had never been experimentally obtained. The ability to map the film network will serve as an input for a new theoretical investigation of the problem, based on solid concepts from network theory (graph theory). This approach, coupled with network simulations, will allow us to have a full understanding of the physics of the problem. This new understanding will allow us for example to propose physics-based numerical routines to better describe the transport of liquids and the spreading of pollutants inside dry soils.