[論文レビュー] Resuspension bursts in particle-laden flows through porous media

Filippo Bianchi, Marcel Thielmann+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 7, 2017

Granular flow and fluidized beds被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、石英懸濁液を用いたガラスビードろ filter を用いた制御された実験を通じて、多孔質媒体内の粒子再浮遊バーストを調査した。バーストサイズがパワーロー分布を示し、時間的相関がオモリの法則に類似していることが判明し、自己組織的臨界性を示している。これは、ディープベッドろ過器や石油回収システムの最適化に新たな知見を提供する。

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.

研究の動機と目的

• ディープベッドろ過器内の粒子再浮遊バーストの統計的および時間的ダイナミクスを理解すること。
• 多孔質媒体内を流れる粒子を含む流体における再浮遊イベントが、自己組織的臨界性を示すかどうかを調査すること。
• バーストサイズ分布および時間的相関を定量的に評価し、普遍的なスケーリング則を同定すること。
• 自然現象（地震や神経活動のバーストなど）との類似性を検討すること。

提案手法

• デイオン水に石英粒子を含む懸濁液をペルストラピックポンプでガラスビードろ過器を通過させる実験を実施した。
• 流れと粒子のダイナミクスをモニタリングするため、圧力損失、流体フラックス、懸濁液の固形分率を同時に測定した。
• 粒子濃度の急増または圧力損失のフラクチュエーションの増大を分析することで、バーストを検出した。
• イベントの大きさの統計的分析を用いて、バーストサイズ分布のパワーロー則の適合性を評価した。
• バースト系列における時間的相関を分析し、オモリに類似した減衰行動の有無を検証した。
• スケール不変な統計および時間的クラスタリングに基づいて、自己組織的臨界性の有無を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 多孔質媒体内の粒子再浮遊バーストサイズは、スケール不変性を示すパワーロー分布に従うか？
• RQ2 地震や神経活動と同様に、再浮遊イベント間に有意な時間的相関が存在するか？
• RQ3 初期バーストに続くバースト頻度の減衰をオモリに類似した法則で記述できるか？
• RQ4 観察された統計的性質が、システムが自己組織的臨界状態にあることをどの程度示唆するか？
• RQ5 圧力損失、フラックス、固形分率はバースト発生時にどのように共変化するか？

主な発見

• 粒子を含む流れにおけるバーストサイズはパワーロー分布を示し、自己組織的臨界性に一致するスケール不変性を示している。
• バーストの時間的系列には顕著な相関が認められ、バースト頻度が初期バーストに続く時間の経過とともにオモリの法則に類似した形で減衰している。
• 異なる流れ条件においても、統計的スケーリング性が安定しており、普遍的挙動を示している。
• 圧力損失、フラックス、固形分率の同時測定により、バーストが一時的な流れの不安定性および粒子の剥離と関連していることが確認された。
• 観察されたダイナミクスは、地震活動や神経放電など他の複雑系と類似しており、不規則媒体における普遍的メカニズムの可能性を示唆している。
• これらの結果は、再浮遊バーストがランダムではなく、多孔質媒体内での臨界的で秩序あるプロセスの一部であることを示している。