Zweidimensionale Experimente zu Mehrphasenflüssen in porösen Medien

Abstract

Mit Hilfe mikrofluidischer Methoden wurde ein quasi-2D-Modell entwickelt, um Verdrängungsprozesse in porösen Medien mit sehr guter zeitlicher und räumlicher Auflösung zu untersuchen. Zur Identifizierung der relevanten Parameter wurde eine detaillierte Parameterstudie durchgeführt. Es wurde gezeigt, dass für weite Parameterbereiche weder Frontgeschwindigkeit noch Viskosität der verwendeten Fluide das Verdrängungsverhalten beeinflussen, das von Kapillarkräften dominiert wird. Entsprechend wurde im Folgenden die Benetzbarkeit des porösen Mediums systematisch varriert, wobei ein recht plötzlicher Übergang des Verdrängungsverhaltens gefunden wurde. Geometrieparameter wie Packungsdichte und Strukturhöhe, haben einen Einfluss auf die Absolutwerte, ändern aber nicht das grundsätzliche Verhalten. Das Verdrängungsverhalten wurde anhand der von Cieplak und Robbins identifizierten fundamentalen lokalen Instabilitätsprozessen ausgewertet und es konnte erstmals der systematische und benetzungsabhängige Zusammenhang zwischen lokalen Instabilitäten und globalem Verdrängungsverhalten experimentell bestätigt werden. Ein Vergleich des experimentellen Verdrängungsverhaltens mit Multi-Particle-Collision-Simulationen von M.S. de La Lama und M. Brinkmann zeigen außerdem sehr gute Übereinstimmung. Zudem wurden Druckfluktuationen beobachtet, die sehr langreichweitig sind und potentiell das Verdrängungsverhalten beeinflussen können. Abschließend wurde das Verhalten eines benetzenden Fluides in einem, sich in zwei asymmetrische Äste aufspalteten Kanal beobachtet. Es wurde gezeigt, dass sich der Verdrängungsprozess, quantitativ mit dem Lucas-Washburn-Gesetz beschreiben lässt, wenn die Druckbedingungen in den drei Kanälen berücksichtigt werden.

Using microfluidic methods a quasi-2D model was developed to study displacement processes in porous media with excellent spatial and temporal resolution. To identify the relevant parameters a detailed parameter study was performed. It was shown that for a wide range of parameters nether front velocity not viscosity of the used fluids has an impact on the displacement behavior which is dominated by capillary forces. Therefore the wettabillity of the porous medium was systematical varied and a sharp transition of the displacement behavior was observed. Geometrical parameters as packing density and confinement affect the absolute values, but not the qualitative behavior. The displacement behavior was analyzed in terms of fundamental local instabilities defined by Cieplak and Robbins and presents for the first time an experimental verification of the wettability dependent correlation between local processes and global displacement behavior. Comparing the experimental displacement behavior with multi-particle-collision-simulations conducted by M.S. de La Lama and M. Brinkmann reveal a very good agreement. Also pressure fluctuations could be observed which are long-ranged and having a potential impact on the displacement behavior. Finally a self-imbibition process in an asymmetric Y-junction was investigated. It was shown that the displacement behavior can be described quantitatively with the Lucas-Washburn-law when properly considering the pressure conditions in the three channels.