[論文レビュー] Effect of Temperature Wave on the Gas Transport in Liquid-Saturated Porous Media

Denis S. Goldobin, Pavel V. Krauzin|arXiv (Cornell University)|Feb 16, 2013

Methane Hydrates and Related Phenomena被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、液体で飽和された多孔質媒体内の温度波が、非溶解相（例：気泡や固体）が固定されている状況において、溶解度波を介して溶質拡散を駆動する仕組みを解析的に調査する。主な発見は、温度振動が時間平均の物質移動量を顕著に増加させ、非溶解相の多孔質媒体内での再分配を引き起こすことであり、数値シミュレーションによって検証されている。

ABSTRACT

We study the effect of surface temperature oscillations on diffusive transport of solutes of weaklysoluble substances through liquid-saturated porous media. Temperature wave induced by these oscillations and decaying deep in the porous massif creates the solubility wave along with the corresponding solute diffusion flux wave. When the non-dissolved fraction is immobilized in pores---for gases the bubbles can be immobilized by the surface tension force, for solids (e.g., limestone, gas-hydrates) the immobilization of non-dissolved phase is obvious---the only remaining mechanisms of mass transport are related to solute flux through liquid in pores. We evaluate analytically the generated time-average mass flux for the case of medium everywhere littered with non-dissolved phase and reveal the significant effect of the temperature wave on the substance release from the massif and non-dissolved mass redistribution within the massif. Analytical theory is validated with numerical calculations.

研究の動機と目的

• 表面温度の周期的変動が液体で飽和された多孔質媒体内の溶質移動に与える影響を理解すること。
• 非溶解相が固定されている状況において、温度に起因する溶解度波が拡散フラックスをどのように駆動するかを検討すること。
• 周期的熱的励起下での微溶性物質の時間平均物質移動量を定量化すること。
• 熱波の効果によって多孔質媒体内での非溶解相の再分配がどの程度進行するかを評価すること。
• 数値シミュレーションを用いて解析的モデルの妥当性を検証すること。

提案手法

• 表面温度波に起因する溶解度波およびそれに伴う溶質拡散フラックス波の解析的導出。
• 非溶解相が表面張力または機械的制約によって固定されていることを仮定し、多孔質媒体を完全に液体で飽和しているとモデル化。
• 温度と溶解度の線形近似関係を用いて、温度の周期的変動と溶質溶解度の変動を結合する。
• Fickの第二法則を用いて、周期的溶解度条件下における液体相内での溶質移動を記述。
• 摂動解析を用いて、1つの熱サイクルにおける時間平均溶質フラックスを導出。
• 解析的結果を、温度-溶解度-拡散の連成系の数値シミュレーションと照合して検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 表面温度波は、液体で飽和された多孔質媒体内にどのように溶解度波を生成するか？
• RQ2 熱振動によって誘発される時間平均溶質フラックスの大きさと方向は何か？
• RQ3 非溶解相（例：気泡や固体）の固定化が、物質移動メカニズムにどのように影響を与えるか？
• RQ4 温度波は、多孔質媒体内での非溶解相の再分配をどの程度促進するか？
• RQ5 解析的予測とシステムの数値シミュレーションの一致度はどの程度か？

主な発見

• 温度振動により、多孔質媒体内に拡散フラックス波を駆動する溶解度波が生成され、それが伝播する。
• 時間平均溶質フラックスは、熱波の影響により顕著に増加するが、1サイクルにおける純温度変化はゼロである。
• 非溶解相は表面張力または機械的制約によって固定され、液体相内での拡散が唯一の物質移動メカニズムとなる。
• 多孔質媒体内での非溶解相の再分配は、温度波に起因する溶解度の空間的・時間的変動によって生じる。
• 時間平均フラックスの解析的予測は、数値シミュレーションと良好に一致し、理論的モデルの妥当性が裏付けられた。