Mixing in Multiphase flows through Microporous Media

Når du tilsetter melk i en kopp kaffe kan du effektivt blande komponentene ved å røre med en skje: systemet tas fra en separert tilstand – der kaffen og melken finnes hver for seg – til en homogen tilstand – der kaffen og melken er uatskillelig sammenblandet. I porøse medier som jord og berggrunn er det de kompliserte strømningsbanene som bestemmer hvor effektivt man blander. I flerfasestrømning – altså når to eller flere væsker eller gasser strømmer sammen gjennom porene – vil strømningen variere på en kompleks måte i både tid og rom, og vi vet så langt svært lite om hvordan blandingen skjer under slike omstendigheter. I dette prosjektet undersøker vi mekanismene bak, og finner fysiske forklaringer for hvordan blanding skjer i flerfasestrømning gjennom porøse medier. Vi tilnærmer oss dette tverrfaglig ved å kombinere nye numeriske, eksperimentelle og teoretiske metoder. En postdoktor har utviklet en unik fluorescensbasert eksperimentell rigg for presis avbildning av konsentrasjonsfordelinger på poreskala. Vi har utviklet robuste og effektive numeriske simuleringsverktøy og undersøkt hvordan flerfasestrømning påvirker spredning og blanding av kjemikalier. Resultatene viser at spredning og blanding forsterkes kraftig av bevegelsen til grensesjiktet mellom fasene, hvilket kan ha langtrekkende konsekvenser for transport i delvis vannmettet jordsmonn. Vi undersøker fortløpende forenklede modeller for å forklare disse funnene teoretisk.

Mixing is the operation by which a system is brought from segregation to uniformity. Solute mixing exerts an important influence on chemical reactions by bringing reactants in contact. It thus controls processes across a wide range of natural and industrial porous systems; spanning from CO2 sequestration in deep aquifers, to drug delivery in the human body. Recent work has shown that the mixing dynamics in porous media are chaotic, implying that fluid elements are elongated at an exponential rate, potentially changing reaction rates by orders of magnitude compared to the predictions of conventional models. However, despite its ubiquity, very little is currently known about solute mixing in multiphase flows, i.e. when two or more phases are flowing together in a porous medium. Only very recently have the numerical methods, experimental techniques and theories of related systems reached a level of maturation where a quantitative investigation of these processes is feasible. In the project M4, I will develop a new theoretical framework for understanding and exploiting how multiphase flow controls mixing in porous media. To achieve this goal, I will develop numerical methods for highly accurate simulation of mixing in multiphase flows. With my collaborators, I will design and execute novel experiments imaging solute mixing in 3D porous media and microfluidic geometries. The output will include fundamental knowledge of how mixing occurs in a wide class of systems, open-source computational tools and novel microscale mixer designs. M4 brings together world-leading, complementary expertise on its two key ingredients: multiphase flow and mixing in porous media. It involves partners from the Universities of Oslo and Rennes and SINTEF Digital, and is an interdisciplinary collaboration unifying theoretical, numerical and experimental approaches, building on nonlinear dynamics, fluid mechanics and computer science, with perspectives to the many applications of microfluidics.