Tuning capillary penetration in porous media: Combining geometrical and evaporation effects

Réglage de la pénétration capillaire dans les milieux poreux: combinaison des effets géométriques et d'évaporation

Mingchao Liu , Jian Wu (1) , Yixiang Gan (2) , Dorian A.H. A Hanaor (3) , C.Q. Q Chen

1 THU - Tsinghua University [Beijing]
2 The University of Sydney
3 TU - Technical University of Berlin / Technische Universität Berlin

Capillary penetration of liquids in porous media is of great importance in many applications and the ability to tune such penetration processes is increasingly sought after. In general, liquid penetration can be retarded or restricted by the evaporation of volatile liquid at the surface of the porous media. Moreover, when capillary penetration occurs in a porous layer with non-uniform cross section, the penetration process can be accelerated or impeded by adjusting the section geometry. In this work, on the basis of Darcy's Law and mass conservation, a theoretical model of capillary penetration combining evaporation effects in two-dimensional homogeneous porous media of varying cross-section is developed and further examined by numerical simulations. The effects of sample geometry and liquid evaporation on capillary penetration are quantitatively analyzed. Results show that the penetration velocity is sensitive to the geometry of the porous layer, and can be tuned by varying the evaporation rate for a given geometry. Under given evaporation conditions, penetration is restricted to a limited region with a predictable boundary. Furthermore, we find that the inhibition of liquid penetration by evaporation can be offset by varying the geometry of the porous layer. In addition, the theoretical model is further extended to model the capillary flow in three-dimensional porous media, and the interplay of geometry and evaporation during the capillary flow process in 3D conditions is also investigated. The results obtained can be used for facilitating the design of porous structures, achieving tunable capillary penetration for practical applications in various fields.

La pénétration capillaire de liquides dans des milieux poreux revêt une grande importance dans de nombreuses applications et la capacité de réglage de tels processus de pénétration est de plus en plus recherchée. En général, la pénétration de liquide peut être retardée ou limitée par l'évaporation de liquide volatil à la surface du support poreux. De plus, lorsque la pénétration capillaire se produit dans une couche poreuse de section transversale non uniforme, le processus de pénétration peut être accéléré ou empêché en ajustant la géométrie de la section. Dans ce travail, sur la base de la loi de Darcy et de la conservation de masse, un modèle théorique de pénétration capillaire combinant les effets d'évaporation dans des milieux poreux homogènes à deux dimensions de sections différentes est développé et examiné plus en détail par des simulations numériques. Les effets de la géométrie de l'échantillon et de l'évaporation du liquide sur la pénétration capillaire sont analysés de manière quantitative. Les résultats montrent que la vitesse de pénétration est sensible à la géométrie de la couche poreuse et peut être ajustée en faisant varier le taux d'évaporation pour une géométrie donnée. Dans des conditions d'évaporation données, la pénétration est limitée à une région limitée avec une limite prévisible. En outre, nous trouvons que l'inhibition de la pénétration du liquide par évaporation peut être compensée en faisant varier la géométrie de la couche poreuse. En outre, le modèle théorique est élargi pour modéliser l'écoulement capillaire dans des milieux poreux tridimensionnels, et les interactions entre la géométrie et l'évaporation pendant le processus d'écoulement capillaire dans des conditions 3D sont également étudiées. Les résultats obtenus peuvent être utilisés pour faciliter la conception de structures poreuses, en réalisant une pénétration capillaire ajustable pour des applications pratiques dans divers domaines.

Mots clés: Porous media; Capillary penetration; Geometry; Evaporation

Domaines: Physique [physics]; Mécanique des fluides [physics.class-ph]; Sciences de l'ingénieur [physics]; Mécanique [physics]; Sciences de l'environnement

Mingchao Liu, Jian Wu, Yixiang Gan, Dorian A.H. A Hanaor, C.Q. Q Chen. Tuning capillary penetration in porous media: Combining geometrical and evaporation effects. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2018, 123, pp.239-250. ⟨10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.02.101⟩. ⟨hal-02345595⟩