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無秩序な多孔質構造を流れる非ニュートン流体の局所粘性のマッピング
Mapping the local viscosity of non-Newtonian fluids flowing through disordered porous structures.
PMID: 32678140 PMCID: PMC7366636. DOI: 10.1038/s41598-020-68545-7.
抄録
トポロジー的に複雑な構造を通る非ニュートン流体の流れは、ほとんどの生物学的、工業的、環境的な環境ではどこにでも存在しています。局所的な流体力学と流体の構成則との相互作用により、流路の分布が決定されます。その結果、粘性抵抗の空間的な不均一性が、ミクロンからメートルスケールまでの質量および溶質の輸送を制御します。その例は、石油回収や地下水工学から薬物送達、フィルター、触媒まで多岐にわたります。ここでは、複雑な細孔形状を流れる非ニュートン流体の局所粘性の空間的変化をマッピングする新しい方法を紹介します。我々は、高分解能画像流速計測を用いて局所的なせん断速度を決定します。局所的なせん断速度を知ることと、流体の構成則を個別に測定することを組み合わせることで、細孔スケールでの局所粘度を定量的にマッピングすることができます。実験結果は三次元数値シミュレーションと密接に一致し、これまでニュートン流体で観測されていた縦方向の速度分布の指数関数的な減衰が局所粘性の空間的な不均一性の関数であることを実証しました。この研究は、多くの多孔質系における輸送特性、混合、化学反応を予測する上で基本的に重要な、水理特性と細孔スケールでの粘性との関係に光を当てるものであり、このことは、非ニュートン流体で観測されていた縦断速度分布の指数関数的な減衰が、局所粘性の空間的不均一性の関数であることを示している。
Flow of non-Newtonian fluids through topologically complex structures is ubiquitous in most biological, industrial and environmental settings. The interplay between local hydrodynamics and the fluid's constitutive law determines the distribution of flow paths. Consequently the spatial heterogeneity of the viscous resistance controls mass and solute transport from the micron to the meter scale. Examples range from oil recovery and groundwater engineering to drug delivery, filters and catalysts. Here we present a new methodology to map the spatial variation of the local viscosity of a non-Newtonian fluid flowing through a complex pore geometry. We use high resolution image velocimetry to determine local shear rates. Knowing the local shear rate in combination with a separate measurement of the fluid's constitutive law allows to quantitatively map the local viscosity at the pore scale. Our experimental results-which closely match with three-dimensional numerical simulations-demonstrate that the exponential decay of the longitudinal velocity distributions, previously observed for Newtonian fluids, is a function of the spatial heterogeneity of the local viscosity. This work sheds light on the relationship between hydraulic properties and the viscosity at the pore scale, which is of fundamental importance for predicting transport properties, mixing, and chemical reactions in many porous systems.