[논문 리뷰] Resuspension bursts in particle-laden flows through porous media

Filippo Bianchi, Marcel Thielmann외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 06. 07.

Granular flow and fluidized beds인용 수 2

한 줄 요약

이 연구는 유리 구슬 여과기에서의 규소질 분산액을 사용한 제어 실험을 통해 다孔성 매질 내 입자 재부상 폭발을 조사한다. 폭발 크기의 등급법 분포와 오모리 법칙과 유사한 시간적 상관관계를 규명하여 자가조직 임계성(self-organized criticality)을 시사하며, 이는 깊이 있는 여과 필터 및 석유 회수 시스템 최적화에 새로운 통찰을 제공한다.

ABSTRACT

Particle detachment bursts during the flow of suspensions through porous media are a phenomenon that can severely affect the efficiency of deep bed filters. Despite the relevance in several industrial fields, little is known about the statistical properties and the temporal organization of these events. We present experiments of suspensions of deionized water carrying quartz particles pushed with a peristaltic pump through a filter of glass beads measuring simultaneously pressure drop, flux and suspension solid fraction. We find that the burst size distribution scales consistently with a power-law, suggesting that we are in the presence of a novel experimental realization of a self-organized critical system. Temporal correlations are present in the time series, alike in other phenomena as earthquakes or neuronal activity bursts, and also an analog to Omori's law can be shown. The understanding of bursts statistics could provide novel insights in different fields, e.g. in filter and petroleum industries.

연구 동기 및 목표

• 깊이 있는 여과 필터 내 입자 재부상 폭발의 통계적 및 시간적 동역학을 이해하기 위해.
• 다공성 매질을 통과하는 입자 농도 유동에서 재부상 사건이 자가조직 임계성을 나타내는지 조사하기 위해.
• 폭발 크기 분포와 시간적 상관관계를 정량화하여 보편적인 척도 법칙을 규명하기 위해.
• 지진이나 신경 활동과 같은 천연 현상과의 유사성을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 데오이온화수에 포함된 규소 입자를 포함한 분산액을 펌프를 이용해 유리 구슬 여과기로 유도하기 위해 비강장 펌프를 사용한 실험을 수행하였다.
• 유량, 압력 강하 및 분산액의 고형분 농도를 동시에 측정하여 유동 및 입자 역학을 모니터링하였다.
• 입자 농도의 급격한 증가 또는 압력 강하 변동성을 분석하여 폭발 탐지를 수행하였다.
• 사건 크기의 통계 분석을 통해 폭발 크기 분포의 등급법 스케일링을 평가하였다.
• 폭발 시퀀스의 시간적 상관관계를 분석하여 오모리 유사 감쇠 행동의 존재 여부를 테스트하였다.
• 척도 불변 통계 및 시간적 군집화 기반으로 시스템의 자가조직 임계성 여부를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다공성 매질 내 입자 재부상 폭발 크기가 등급법 분포를 따르는가? 이는 척도 불변 행동을 시사하는가?
• RQ2 지진이나 신경 활동에서 관찰되는 것과 유사하게 재부상 사건 간에 유의미한 시간적 상관관계가 존재하는가?
• RQ3 초기 폭발 이후 폭발 빈도 감쇠를 오모리 유사 법칙으로 기술할 수 있는가?
• RQ4 관측된 통계적 성질이 시스템이 자가조직 임계 상태에서 작동하고 있음을 어느 정도 시사하는가?
• RQ5 압력 강하, 유량 및 고형분 농도는 폭발 사건 동안 어떻게 함께 변하는가?

주요 결과

• 입자 농도 유동 내 폭발 크기는 등급법 분포를 보이며, 자가조직 임계성과 일치하는 척도 불변 행동을 나타낸다.
• 폭발 시퀀스의 시간적 순서는 유의미한 상관관계를 보이며, 폭발 빈도가 초기 폭발 이후 오모리 법칙의 후진사태 유사 감쇠 방식으로 감소한다.
• 다양한 유량 조건에서도 통계적 척도 불변 성질이 강건하게 유지되어 보편적 행동을 시사한다.
• 압력 강하, 유량 및 고형분 농도의 동시 측정 결과, 폭발이 일시적 유동 불안정성과 입자 탈락과 관련이 있음을 확인하였다.
• 관측된 역학은 지진 활동이나 신경 활동과 유사한 다른 복잡계의 특성과 유사하여, 불규칙 매질 내 보편적 메커니즘이 존재할 가능성을 시사한다.
• 결과적으로 재부상 폭발은 무작위가 아니라 다공성 매질 내 임계적이고 조직화된 과정의 일부임을 시사한다.