ChemEng.Upatras Seminars 2022 - Ανδρέας Γιώτης (Πολυτεχνείο Κρήτης)

Τίτλος Παρουσίασης: Πειραματική μελέτη της ροής γαγγλίων σε στοχαστικά ανακατασκευασμένες πορώδεις δομές
Κατηγορία Συμβάντος: Πρόγραμμα Σεμιναρίων Τμήματος (Webinars)
Ονοματεπώνυμο Ομιλητή: Ανδρέας Γιώτης
Προέλευση Ομιλητή (Affiliation): Σχολή Μηχανικών Ορυκτών Πόρων, Πολυτεχνείο Κρήτης
Αίθουσα: Βιβλιοθήκη "Αλκιβιάδης Χ. Παγιατάκης"
Ημερομηνία: Τετ, 05 Οκτ 2022, Ώρα: 18:00 - 19:00
Παρουσίαση αποκλειστικά μέσω διαδικτυακής μετάδοσης (Webinar Only)
Διεύθυνση Διαδικτυακής Μετάδοσης: Meeting ID: 961 2398 3338, Passcode 343154
Η παρουσίαση θα καταγραφεί μετά από άδεια του ομιλητή
Περίληψη

Η ροή δύο μη-αναμίξιμων φάσεων σε μακροπορώδη μέσα αποτελεί μια φυσική διεργασία που απαντάται σε πληθώρα εφαρμογών τεχνολογικού και επιστημονικού ενδιαφέροντος, όπως στην δευτερογενή εκμετάλλευση ταμιευτήρων υδρογονανθράκων, στην αποκατάσταση και καθαρισμό του εδάφους από ανθρωπογενείς ρύπους, την γεωλογική αποθήκευση διοξειδίου του άνθρακα κ.α. Τα υπάρχοντα θεωρητικά πρότυπα μη αναμίξιμης διφασικής σε πορώδη μέσα βασίζονται κυρίως σε μία γενίκευση της εξίσωσης Darcy, που ισχύει υπό τη παραδοχή ότι οι ρέουσες φάσεις είναι συνεχείς σε όλη την έκταση του μέσου χωρίς σαφώς ορισμένες διεπιφάνειες μεταξύ τους. Η ροή κάθε φάσης είναι ανάλογη της τοπικής βαθμίδας πίεσης και της τοπικής τιμής της σχετικής της διαπερατότητας, που εκφράζεται τυπικά ως αύξουσα συνάρτηση του κορεσμού.

Σε αρκετές εφαρμογές η μη διαβρέχουσα φάση είναι ασυνεχής και ρέει με την μορφή γαγγλίων υπό τη βαθμίδα πίεσης και τις ιξώδεις τάσεις που επιβάλει στις διεπιφάνειες αυτών η συνεχής διαβρέχουσα φάση [1-3]. Στην περίπτωση αυτή η παραπάνω γενικευμένη έκφραση της εξίσωσης Darcy δεν μπορεί να περιγράψει με φυσικά συνεπή τρόπο τη διεργασία, καθώς οι σχετικές διαπερατότητες είναι ισχυρές συναρτήσεις του ιστορικού της ροής, του λόγου των ιξωδών και του Τριχοειδή Αριθμού, μεταξύ άλλων παραμέτρων [4-5].

Στην παρούσα εργασία μελετούμε τη ροή γαγγλίων κατά την ταυτόχρονη έγχυση ελαίου και νερού σε ένα διδιάστατο μοντέλο από PMMA. To μικρομοντέλο έχει κατασκευαστεί με τεχνικές Computer Numerical Control (CNC) κοπής με βάση έναν αλγόριθμο στοχαστικής ανακατασκευής που παράγει εμπόδια με τυχαίο 2D σχήμα που ακολουθούν όμως μία Λογαριθμητική Κανονική Κατανομή μεγεθών (log-normal). Η ροή καταγράφεται χρησιμοποιώντας μία ψηφιακή κάμερα DSLR υψηλής ανάλυσης σε μία σειρά πειραμάτων με διαφορετικό λόγο παροχών των δύο φάσεων και διαφορετική συνολική τιμή της ογκομετρικής παροχής. Οι εικόνες και τα βίντεο αναλύονται με τεχνικές Υπολογιστικής Όρασης (Computer Vision) με στόχο τον προσδιορισμό τη διάκριση μεταξύ κινούμενων και ακίνητων γαγγλίων, την κατανομή μεγέθους κάθε πληθυσμού μεγεθών των γαγγλίων, τον μέσο κορεσμό των φάσεων και την καταγραφή των κυρίαρχων καναλιών ροής σε διαφορετικές τιμές M και Q σε μόνιμες συνθήκες ροής.

Τα αποτελέσματά μας αποδεικνύουν ότι ο ρυθμός κατακερματισμού (fragmentation) και συνένωσης (coalescence) των γαγγλίων αυξάνεται με την αύξηση του Capillary number (Ca) και οδηγεί σε κατανομές μεγεθών με μικρότερες μέσες τιμές, που ακολουθούν όμως μία λογαριθμική κανονική κατανομή και για τους δύο πληθυσμούς κινούμενων και ακίνητων γαγγλίων. Επιπλέον η αύξηση της ροής οδηγεί στην ανάπτυξη νέων καναλιών ροής που διέρχονται μέσα από προοδευτικά μικρότερους πόρους καθώς οι ιξώδεις δυνάμεις κυριαρχούν έναντι των τριχοειδών. H οπτικοποίηση της δυναμικής της κίνησης των γαγγλίων αναδεικνύει την ισχυρή συσχέτιση μεταξύ του μεγέθους και της κινητικότητά τους στην κλίμακα του πόρου και αποτελεί ένα ισχυρό εργαλείο για την ανάπτυξη φυσικά συνεπών νέων προτύπων ροής για τη περιγραφή της διεργασίας στη μακροσκοπική κλίμακα.

REFERENCES

  1. Payatakes AC. Dynamics of Oil Ganglia During Immiscible Displacement in Water-Wet Porous Media. Annu Rev Fluid Mech. 1982;(14):365-393.
  2. Valavanides MS, Payatakes AC. True-to-mechanism model of steady-state two-phase flow in porous media, using decomposition into prototype flows. Adv Water Resour. 2001;24(3-4):385-407. doi:10.1016/S0309-1708(00)00063-4.
  3. Avraam DG, Payatakes AC. Flow regimes and relative permeabilities during steady-state two-phase flow in porous media. J Fluid Mech. 1995;293(1):207. doi:10.1017/S0022112095001698.
  4. Yiotis  Α. G, Talon L, Salin D. Blob population dynamics during immiscible two-phase flows in reconstructed porous media. Phys Rev E - Stat Nonlinear, Soft Matter Phys. 2013;87(3):1-12. doi:10.1103/PhysRevE.87.033001.
  5. A. Yiotis, A. Dollari, M. Kainourgiakis, D. Salin, and L. Talon, “Nonlinear Darcy flow dynamics during ganglia stranding and mobilization in heterogeneous porous domains”, Physical Review Fluids, 4, 114302 (2019).
Σύντομο Βιογραφικό Ομιλητή

Dr. Andreas Yiotis is an Assistant Professor at the School of Mineral Resources Engineering of the Technical University of Crete, where he teaches Applied Fluid Mechanics and Petroleum Engineering courses at both the undergraduate and post-graduate levels. He is also an Associate Researcher of the Institute of Geo-Energy at FORTH (2019-onwards) and the National Center for Scientific Research “Demokritos” (2012-2022). He holds a Bachelor (1997) and a PhD (2003), both in Chemical Engineering, from the National Technical University of Athens. From 2010-2012, he worked as a Post-Doctoral Researcher at the French National Center for Research (CNRS, Orsay, France) under an Individual Marie Curie Fellowship for career development. He has been an Invited Researcher at several International Research and Academic Centers, including CNRS (France), Utrecht University (Netherlands), Stuttgart University (Germany), University of Southern California (USA) and Herriot-Watt University (UK). Dr. Yiotis’ research focuses on the development and application of robust numerical modeling methodologies for a wide range of processes of environmental and technological relevance (i.e. oil recovery, soil remediation, H2 storage and fuel cells). He has significant experience in the wider field of modelling transport processes in several classes of permeable materials (soils, membranes and fibrous media), including immiscible flows, evaporative drying, hydrodynamic dispersion, heat and mass transfer. This numerical work is also complemented by insightful pore scale experimental studies of immiscible two-phase flow processes in model porous domains (both 2D and 3D) in collaboration with leading research groups in this field (FAST – Centre Nationale de la Recherche Scientifique) and the Institute of Applied Mechanics -University of Stuttgart) He has published over 30 papers in high-impact peer-review journals (h-index=16 with more than 900 hetero-citations), while also participating in numerous European and National Research Projects.