动态多相流触发多孔介质中的混沌混合

溶质混合在自然和工程多孔介质中广泛的化学和生物过程中起着关键作用。然而，当前对混合动力学的理解主要局限于完全或部分水饱和环境中的稳态流动。多相流系统通常是非稳态的，具有移动的流体界面和随时间变化的流道。尽管动态多相流普遍存在，但它们对溶质混合的影响在很大程度上是未知的。在这里，我们使用实验和数值模拟来研究动态两相流对流体单元拉伸和折叠的影响，这是驱动多孔介质中溶质混合和反应的基本机制。我们发现动态两相流诱导混沌混合，其特征是流体单元的指数拉伸，与稳态单相流相比，导致混合显著增强。通过广泛的数值多相流模拟，我们建立了动态稳态，在其中我们可靠地测量了作为流速函数的平均流体拉伸率。我们表明，拉伸在最佳流速下最大化，该流速平衡了流体剪切变形与流体界面间歇运动引起的流动重新定向频率。这些发现通过一个将基本多相流特性与拉伸率联系起来的机理模型得到了合理化，为理解和控制广泛多相流系统中的混合和反应开辟了新的视角。