Новая математическая модель исследует фронты смешивания в пористых средах

Исследователи из Массачусетского технологического института, Испанского национального исследовательского совета, Университета Ренн 1 (Франция) и Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории разработали новую модель для прогнозирования кинетики реакционного фронта в гетерогенных потоках жидкости в пористых средах. Модель учитывает влияние множества процессов — растяжения, коалесценции и дисперсии частиц жидкости — на динамику реактивного переноса.

Понимание динамики смешивания на масштабе пор напрямую влияет на качество моделей, используемых для измерения реактивного переноса при хранении CO₂, подземных потоках и переносе (например, загрязняющих веществ в гидрологических системах) или биохимических процессах, управляемых смешиванием, в фильтрах и живых тканях. Каждая из этих областей имеет значение для текущих задач Министерства энергетики США.

В своей работе учёные рассмотрели два реагента (A и B), смешивающихся с образованием продукта C по необратимой реакции A + B → C в потоке через пористую среду. Они использовали метод сглаженных частиц гидродинамики (SPH) для решения уравнений Навье-Стокса и конвекции-диффузии-реакции. В четырёх симуляциях (с числами Пекле Pe = 0.071, 0.71, 2.4 и 7.1) они наблюдали, как поток влияет на смешивание, выделяя режимы "растяжения" и "коалесценции" ламелл — тонких структур, формирующихся при движении жидкости.

«Предложенная модель применима для различных реакционных систем, а не только для потока в пористых средах. В большинстве природных и инженерных систем крупномасштабное поведение тесно зависит от смешивания и реакций, происходящих на микроуровне», — пояснил соавтор работы доктор Александр Тартаковский. Он добавил, что новый метод обеспечивает более полный анализ кинетики реакционного фронта и имеет большой потенциал для улучшения моделирования реактивного переноса.