実験とシミュレーションを使用して、多孔質媒体における拡散制御の泡の成長を理解する

多孔質媒体中のガス気泡の核形成とその後の拡大は、石油回収、炭素貯蔵、沸騰など、多くの用途に関連しています。マイクロ流体チップを使用して実験セットアップを構築し、多孔質媒体のバブル成長のダイナミクスを研究しました。過飽和のドデカン溶液中の二酸化炭素気泡の成長の視覚化実験を実施しました。私たちは、過飽和液体内の溶存ガス分子がガス液体界面に拡散するように成長することを示しています。多孔質媒体内で膨張する泡は、ガスで満たされた細孔のクラスターが臨界ガス飽和の出口に接続されるまで液相を置き換えます。これは、総液体変位の尺度として使用されます。私たちの実験は、単一のバブルの成長に独自に焦点を当てており、より大きな圧力降下がより速い泡の成長につながりながら、臨界ガス飽和度が低下することを示しています。バブルの成長をシミュレートするために、非線形細孔ネットワークモデルが実装されています。バブル成長ダイナミクスのモデル予測を実験結果と比較し、大きな圧力低下が適用されたときに浸潤透過からの逸脱をキャプチャするためのさらなる理論的発達の必要性を提示します。

Nucleation and subsequent expansion of gas bubbles in porous media is relevant to many applications, including oil recovery, carbon storage, and boiling. We have built an experimental setup using microfluidic chips to study the dynamics of bubble growth in porous media. Visualization experiments of the growth of carbon dioxide bubbles in a supersaturated dodecane solution were conducted. We show that bubbles grow as dissolved gas molecules inside the oversaturated liquid diffuse to the gas-liquid interface. Bubbles expanding inside a porous medium displace the liquid phase until the cluster of the gas-filled pores becomes connected to the outlet at the critical gas saturation, which is used as a measure for the total liquid displacement. Our experiments uniquely focus on the growth of a single bubble and show that larger pressure drops lead to faster bubble growth while resulting in lower critical gas saturations. A nonlinear pore-network model is implemented to simulate bubble growth. We compare model predictions for bubble growth dynamics to our experimental results and present the need for further theoretical development to capture deviations from invasion-percolation when a large pressure drop is applied.