Lorsque Yu "Alex" Liang a commencé ses études supérieures à l'Université du Texas à Austin, il a été chargé de mener une expérience simple pour collecter des données sur un phénomène bien compris en mécanique des fluides :comment les différences de densité influencent l'écoulement des fluides dans un milieu poreux.

C'est un scénario qui se joue à travers un large éventail de problèmes scientifiques. En réalité, Liang prévoyait d'appliquer les données expérimentales à un projet plus vaste sur la séquestration du carbone. Cependant, l'expérience a révélé que la physique régissant l'écoulement n'était pas aussi établie que les scientifiques le pensaient.

Les résultats ont révélé que le principal moteur de ce type d'écoulement de fluide, appelé convection solutale, avait été négligé. Quoi de plus, une fois ce pilote comptabilisé, il inverse complètement les résultats de flux attendus.

"Dans une certaine mesure, c'est un changeur de jeu, " dit Liang, qui a obtenu son doctorat. en génie pétrolier en 2017 et travaille maintenant pour Hilcorp, une société énergétique basée à Houston. "Nos expériences et simulations montrent que le modèle de convection est contrôlé par un processus différent de celui que l'on pensait auparavant. Les gens se rendront compte qu'il existe des théories beaucoup plus approfondies à explorer sur la convection solutale dans les milieux poreux."

Les résultats des recherches de Liang ont été publiés dans la revue Lettres de chercheur en géophysique en septembre. Ses co-auteurs sont Marc Hesse, professeur agrégé à l'UT Jackson School of Geosciences et à l'Institute for Computational Engineering and Sciences (ICES), David DiCarlo, professeur agrégé au Département d'ingénierie pétrolière et géosystèmes de l'UT Hildebrand, et Baole Wen, un stagiaire postdoctoral à la Jackson School et à l'ICES. DiCarlo et Hesse sont les doctorants de Liang. conseillers.

Pendant des décennies, le consensus scientifique a été que l'équilibre entre les courants de densité et la diffusion était le principal facteur contrôlant la convection solutale dans les milieux poreux. La pensée est allée:les régions de fluide dense se déplacent vers le bas jusqu'à ce que la diffusion élimine la différence de densité entraînant l'écoulement, créant des doigts denses qui s'enfoncent vers le bas. En général, les doigts doivent être suffisamment éloignés l'un de l'autre pour que la diffusion ne puisse pas les étaler au fur et à mesure que le fluide coule. Par conséquent, les doigts étaient généralement considérés comme plus éloignés dans les écoulements lents et plus rapprochés dans les écoulements rapides entraînés par des différences de densité plus importantes.

Bien que le modèle soit bien établi dans les simulations informatiques, Hesse a déclaré que l'équipe de recherche était incapable de trouver des résultats expérimentaux qui démontrent ce comportement de base. Ils ont donc développé une simple plate-forme de table - un réservoir transparent rempli de billes de verre et d'eau - pour observer la convection solutale en temps réel. Pour démarrer le processus de convection, l'eau est surmontée d'une couche de méthanol et d'éthylène glycol, mélange globalement moins dense que l'eau, mais devient progressivement plus dense et s'enfonce au fur et à mesure qu'il subit une convection avec l'eau à l'interface fluide.

L'équipe s'attendait à ce que le modèle de doigt étroit classique émerge dans des expériences utilisant des billes de plus grand diamètre. Au lieu, le modèle complètement opposé a émergé. L'espacement des doigts augmente avec la taille du cordon.

"Voici ce phénomène très basique, qui se produit dans toutes sortes d'applications, est un exemple classique de formation de motifs - et vous faites les expériences et vous obtenez littéralement le contraire de ce à quoi tout le monde s'attend, " Hesse a dit. "Cela montre que quelque chose est totalement erroné dans notre compréhension de base de ce processus."

Une analyse plus approfondie a révélé que la dispersion créée par les billes de plus grand diamètre avait un impact plus important sur l'environnement convectif que la diffusion. Alors que les théories précédentes de la convection solutale mettent l'accent sur la diffusion, l'étalement du matériau dans l'eau dans leurs expériences s'est avéré être contrôlé par dispersion mécanique, ce qui conduit au mélange supplémentaire des fluides à l'échelle des pores.

"En d'autres termes, ce que tu traverses est vraiment important, " dit-il. " La dispersion augmente avec l'augmentation de la taille des grains, et c'est pourquoi les doigts s'élargissent lorsque vous le faites avec des perles plus grosses."

Sur la base de leurs observations de l'expérience sur table, les chercheurs ont pu reproduire leurs découvertes avec un modèle informatique.

"Le point clé est que nous analysons l'effet de la dispersion sur la convection dans le sous-sol sur la base de nos données expérimentales, puis utilisons des simulations numériques à haute résolution pour vérifier notre analyse, " dit Wen.

Bien sûr, le monde naturel est bien plus complexe qu'un réservoir rempli de billes ou qu'un modèle simplifié. Les chercheurs ont déclaré que les scientifiques ont de nombreux facteurs à garder à l'esprit lorsqu'ils recherchent des phénomènes complexes impliquant la convection solutale, comme la séquestration du CO2. Mais DiCarlo a déclaré que ces résultats montrent que les scientifiques qui étudient les principes fondamentaux du processus ont de nouveaux facteurs à prendre en compte.

"Le travail montre que si l'on veut prédire comment le CO2 se dissout dans le sous-sol, ou procédé de dissolution similaire, l'étude doit inclure la dispersion de manière correcte, " at-il dit. " Toutes les études précédentes ont ignoré la dispersion. "

Hesse a ajouté que les résultats expérimentaux peuvent aider à ajouter une dose de réalité aux modèles informatiques qui se trompent depuis des décennies.

"Si votre simulation numérique ne peut même pas simuler cette simple expérience que je fais, quelle confiance avez-vous qu'il fera la bonne chose dans un cadre encore plus compliqué, " il a dit.