Nonmodal stability analysis of miscible viscous fingering with non-monotonic viscosity profiles
研究了多孔介质中粘性指进的非模态线性稳定性分析。不稳定性的发生及其物理机制被捕获的传播矩阵的奇异值对应的非自治线性方程组。我们讨论两种类型的非单调粘度曲线，即，与不利的（当一个较低的粘性流体取代高粘度流体）和有利的（当一个更粘的流体取代一个较低的粘性流体）的终点粘度。线性稳定性分析产生这种粘度变化的不稳定性。此外，我们还表明，要了解的时空演变的扰动，有必要分析粘度梯度的浓度和最大浓度$c_m$的位置。对于有利的终点粘度，当粘度最大值移动到接近纯入侵或防御流体时，观察到弱的瞬时不稳定性。这种不稳定性归因于尖锐的粘度梯度和有利的终点粘度对比之间的相互作用。我们证明了准稳态方法和NMA之间的差异，找到正确的扰动结构和发病，有利和不利的粘度分布。通过非线性仿真验证了非模态稳定性分析得到的线性摄动结构的正确性。我们已经发现，非线性模拟和NMA的结果是很好的一致性。总之，一个非单调变化的可混溶流体对的粘度被认为有一个较大的影响，指进不稳定性的发病，比相应的Arkyius型关系。
2018-08-09 physics.flu-dyn
Effect of translational shear on interfacial structure in the viscous fingering instability
该研究提出通过施加振荡平移剪切来平滑互溶流体界面，从而控制粘性指进不稳定性，实验和模拟表明增加剪切振幅或速度可延迟不稳定性起始并降低指状物生长速率，实现流体稳定。
2025-08-09 physics.flu-dyn
HOC simulations of miscible viscous fingering of a finite slice: A new insight
Indian Institute of Technology Guwahati（印度理工学院古瓦哈提分校）
研究不可混溶黏性指进在均质各向同性多孔介质中的动力学，采用四阶紧致有限差分法和Crank-Nicolson技术求解非线性耦合对流扩散方程，发现边界条件影响长期行为、溶质混合与扩散。
2026-04-10 physics.flu-dyn
Non-modal linear stability analysis of miscible viscous fingering in porous media
研究了二维均匀多孔介质中可混溶粘性指进的非模态线性稳定性。用有限差分法对达西定律与对流扩散方程耦合的线性化摄动方程进行离散。所得到的初值问题是由四阶龙格-库塔方法，其次是传播矩阵的奇异值分解。特别注意的瞬态行为，而不是传统的模态分析预测的本征模式的长期行为。通过考察$ε-$伪谱结构和最大能量增长函数，研究了系统对外部激励响应和对初始条件响应的瞬态行为。借助非模态稳定性分析，我们证明了在早期的位移流是由扩散和扰动衰减为主。在以后的时间，当对流占主导地位的扩散，扰动增长。此外，我们表明，占主导地位的扰动，经验的最大放大的线性政权导致的瞬态增长。这两个重要的功能是以前无法实现的，在现有的线性稳定性方法的可互溶粘性指进。为了探索从非模态分析中获得的最佳扰动的相关性，我们使用高精度伪谱方法进行了直接数值模拟。此外，本稳定性分析与现有的模式和初始值的方法进行了比较。结果表明，非模态稳定性的结果是更好的协议，比其他现有的稳定性分析，从直接数值模拟得到的。
2015-11-19 physics.flu-dyn
Viscosity scaling of fingering instability in finite slices with Korteweg stress
我们进行线性稳定性分析（LSA）和直接数值模拟（DNS）调查的动态粘度的粘性指进（VF）不稳定性的影响，在互溶切片。选择适当的特征尺度的重要性的动态粘度的大小的VF在互溶切片已被显示在瞬态界面张力的上下文中。此外，我们已经证实了这一结果为不混溶流体和表现VF之间的相似性，在不混溶和混溶切片与瞬态界面张力。在一个更一般的设置，这封信的调查结果将是非常有用的多相粘性流，其中的动量平衡方程包含一个额外的应力项的动态粘度。
2015-02-27 physics.flu-dyn
The effect of viscosity ratio and Peclet number on miscible viscous fingering in a Hele-Shaw cell: A combined numerical and experimental study
从一系列的特点，不稳定，混溶驱替实验中的一个四分之一的五点源-汇几何形状的Hele Shaw细胞的结果，详细的数值模拟比较。我们在不利的粘度比从1 - 20和Peclet数从10 $^4$ - 10 $^6$捕获的过渡从二维到三维径向指进和实验的不确定性进行重复实验。开放获取的数据集提供了指进模式的延时图像、瞬态流出物剖面和用于模型验证的元信息。我们发现指进模式的复杂性随着粘度比和Peclet数的增加而增加，并且与线性位移相比，指进的发生被延迟，这可能是由于Taylor色散稳定化。从2D到3D指进的过渡发生在临界Peclet数，这与文献中最近的实验是一致的。2D数值模拟与流体动力学分散和不同的网格方向提供了良好的预测的突破时间和扫掠效率在中间Peclet数的范围内的粘度比测试，一般在实验的不确定性。特定的指波长，尖端形状和增长是很难复制的模型预测使用速度依赖的纵向色散或简单的分子扩散约束的指进实验中看到的演变，但既不完全捕获精细尺度和宏观措施。在这两种情况下，模拟预测比实验更锋利的手指。一个较弱的分散稳定似乎有必要捕捉实验指在高粘度比，这也可能需要各向异性组件。在未来的开发中，应探索具有不同分散配方的3D模型，以捕获高粘度比和Peclet数下的全范围效应。
2021-11-12 physics.flu-dyn
Unifying Viscocapillary and Inertial Regimes in Selective Withdrawal
Texas Tech University（德克萨斯理工大学）；University of South Alabama（南阿拉巴马大学）
本研究提出了一种统一框架，通过Moody图类型表示连接粘性毛细、剪切控制和惯性掺入，适用于牛顿和广义牛顿双层系统。
2026-10-08 physics.flu-dyn
Dynamics of Freely Suspended Drops Translating through Miscible Environments
我们的工作重点是通过一个可混溶的，更粘稠的液体液滴自由上升的实验研究。我们报告了通过甘油和玉米糖浆上升的水滴的观察，这是常见的家庭成分。液滴形成后，立即呈扁长形，并以恒定的速度上升，而不会扩大尺寸。然而，在我们的理论预测的临界时间之后，液滴不断成长为扁球体，随着它们与周围液体的混合，它们的体积增加，速度降低，最终遵循幂律。我们提出的标度关系，解释主要观察到的现象。然而，控制体积增加率和速度降低率的幂律，即分别为$t^{1/2}$和$t^{-1/2}$，仍然是进一步研究的重点。
2021-01-06 physics.flu-dyn
Velocity of viscous fingers in miscible displacement: Intermediate concentration
针对可混溶驱替中黏性指进，提出基于指端中间浓度假设的TFE模型改进速度估计，经数值模拟验证，精度高于原模型。
2024-05-28 cs.NA math.AP math.NA
Velocity of viscous fingers in miscible displacement
本文研究聚合物段塞注入储层时混合区的线性生长，通过有限体积和有限元素两种数值方法分析段塞前缘与混合区边界速度，并与横向流平衡近似及Koval模型的理论估计比较，提出了基于聚合物特征的混合区生长速率分析方法建议。
2020-12-04 cs.NA math.AP math.NA
Fingering instability of self-similar radial flow of miscible fluids in a Hele-Shaw cell
本文理论研究了 Hele-Shaw 盒中径向源流可混溶驱替的线性稳定性，证明黏度比大于3/2时发生指进不稳定，并通过渐近分析揭示了增长率与波数及黏度比的关系。
2025-01-28 physics.flu-dyn
Viscous and Gravitational Fingering in Multiphase Compositional and Compressible Flow
粘性指进和重力指进是指分别由不利的流动性或密度比触发的多孔介质中的流动不稳定性。这些不稳定性在过去已经被广泛地研究用于1）单相流（例如，地下水中的污染物传输，烃生产中的气体对油的第一接触混溶置换），和2）多相不混溶和不可压缩流（例如，油藏中的水-气交替（WAG）注入）。多相组分和可压缩流动中的指进现象受到的关注要少得多，这可能是由于其计算复杂性高。然而，许多重要的地下过程涉及交换物种的多个阶段。例如，在含盐含水层中固碳，以及在最低渗透压力以下注入气体或水气，提高石油采收率。在多相流中，对于给定的粘度比，相对渗透率影响流度对比。相行为还可以改变局部流体性质，这可以增强或减轻粘性和重力不稳定性。本文详细研究了二维和三维组分多相流中的指进行为，并考虑了1）Fickian扩散，2）机械分散，3）流速，4）域尺寸和几何形状，5）地层非均质性，6）重力和7）相对渗透率的影响。结果表明，在组分多相流的指进是深刻不同的混相条件和放大技术用于后者的情况下是不可能推广到前者。
2016-01-12 physics.flu-dyn
Rotational Instabilities in Stratified Miscible Layers
旋转平台内分层多相流的不稳定性在微混合和微机械中具有重要的应用价值。离心驱动可以在驱动流动中发挥重要作用，科氏力可以通过使流动不稳定来在短时间内增强混合。在这项研究中，我们专注于科里奥利力的影响旋转粘性分层流与薄扩散混合层之间的两个流体层。模态稳定性分析是用来估计的关键参数，即旋转数，雷诺数，和波数，这是负责调制不同的粘度对比的不稳定机制。本研究探讨了旋转力对粘性力和惯性力的竞争影响。相应地，旋转方向（顺时针/逆时针）对时空不稳定机制有显著影响，逆时针旋转促进不稳定。通常，对于较薄的混合层，关于流向扰动的可混溶粘性分层流动变得更不稳定。相反，我们的数值计算证实了一个完全相反的情况下，考虑科里奥利力驱动的不稳定性的互溶系统的展向扰动。从基流和扰动与基流之间的能量涨落两个方面讨论了可能的物理机制。对二维和三维不稳定性进行了比较，以便对本文所考虑的流动系统的线性不稳定性有一个清楚的认识。速度和粘度扰动分布显示了混合层附近和远离混合层的涡之间的临界结合，这可能是不稳定性相对于粘度比和旋转方向的变化的原因。
2018-11-28 physics.flu-dyn
Bridge evolution during the coalescence of immiscible droplets
本研究通过实验和理论模型发现，不相溶液滴聚结时，液桥在黏性主导阶段与可混溶液滴相似，但在惯性主导阶段因水-油界面和额外界面张力而变慢，并提出了修正的Ohnesorge数来表征转变。
2023-12-24 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Influence of a chemical reaction on viscous fingering: Effect of the injection flow rate
流体动力学粘性指进不稳定性可受A+B --> C类型的简单粘度变化化学反应的影响，当反应物A的溶液注入B的溶液中并形成不同粘度的产物C时。在这里，我们调查数值反应的粘性指进的情况下，反应降低粘度，以定义控制指进的化学和流体动力学参数的最佳条件。特别地，我们分析了注入流量或等效的Peclet数（Pe）的问题上的指进的化学控制的效率的影响。我们发现，粘度降低反应具有增加的稳定效果时，Pe降低。相反，Pe越大，指进越强烈，系统越不稳定。然后，相关的反应指进图案分别覆盖比非反应等效物中更小（更大）的区域。取决于流速的值，给定的化学反应因此可以增强或抑制指进不稳定性。这种稳定和不稳定，在低和高Pe被证明是有关的最小的粘度分布，由于周围的混溶界面的化学反应的效果开发的PE依赖的特性。
2018-02-09 physics.flu-dyn
Formation of colloidal threads in geometrically varying flow-focusing channels
当两种可混溶的流体相互接触时，浓度梯度引起应力。这些被称为Korteweg应力，并且类似于两种不混溶流体之间的界面张力，从而在不均匀混溶系统中充当有效界面张力（EIT）。EIT控制两种可混溶流体流动聚焦中粘性线的形成。为了进一步研究其意义，我们研究了由其自身溶剂聚焦的胶体分散体的线形成。实验与三维数值模型相结合，利用不同的流动聚焦通道设置系统地扩展以前的知识。在参考设置中，鞘流正交地撞击芯流，而在四个其它通道设置中，鞘流以相对于参考鞘方向为正和负的斜角撞击芯流。作为EIT的初始估计，我们将参考设置中的实验确定的螺纹形状拟合到通过有效毛细管数依赖于EIT的主曲线。通过数值再现这些实验结果，得出的结论是，估计的EIT是在25%的最佳EIT值，可以推导出通过迭代拟合的数值结果的实验测量。无论通道设置，使用最佳EIT从参考设置评估进行进一步的数值计算显示良好的协议与实验结果的螺纹形状，润湿区域的形态，和速度流场。数值和实验结果的一对一比较揭示了EIT对螺纹从通道顶壁和底壁分离的关键作用，为理解具有高粘度对比度的混溶系统中涉及的物理现象带来了有用的见解。
2021-02-24 physics.flu-dyn
On the mechanics of droplet surface crater during impact on immiscible viscous liquid pool
研究了液滴撞击不混溶粘性液体池的过程，并通过实验和理论分析研究了液滴表面凹坑的形成。我们归因于形成的空气弹坑的快速减速液滴由于粘性阻力。液滴对外部冲击减速力的响应在暴露于空气的表面上引起振荡模式，形成毛细波，毛细波传播以形成各种形状和尺寸的空气坑。我们引入了一个无量纲参数（$Γ$），即作用在液滴上的阻力与毛细力之比。我们表明，$Γ$是直接成正比的毛细管数。我们发现，液滴形成的空气火山口的显着深度有$Γ>1$。此外，我们证明了勒让德多项式可以局部近似的中央空气火山口射流的轮廓。我们还破译了空气撞击坑响应时间尺度（$T$）随撞击韦伯数（$T{\sim}We^{1/2}$）的平方根而变化。此外，我们概括了当地的液滴响应与全球响应模型的基础上的特征值问题的低冲击能量。我们表示为一个动态接触线的受约束的Rayleigh下降问题的渗透下降。空气-水界面动力学分析使用无粘液滴变形模型的小变形振幅。液滴的局部响应理论和整体响应理论是一致的，并描述了变形轮廓可以表示为勒让德多项式基的本征模的线性叠加。我们发现，由于这种动态接触线的存在，液滴在不混溶碰撞系统中的响应不同于混溶碰撞系统。
2022-09-29 physics.flu-dyn
Viscous fingering patterns for Hele--Shaw flow in a doubly connected geometry driven by a pressure differential or rotation
Hele-Shaw流动的传统数学模型考虑了气泡注入（或抽出）无限大粘性流体。这种模型最常研究的特征是Saffman-Taylor不稳定性如何驱动流体/空气界面处的粘性指进模式。在这里，我们考虑一个更现实的模型，假设粘性流体是有限的，覆盖一个双重连接的二维区域由两个流体/空气界面。对于在其中的流动是由两个接口的压力差驱动的情况下，我们探讨了这个模型的数值，突出了发展的粘性指进模式的接口与较高的压力。我们的数值方案是基于水平集方法，其中每个接口表示为一个单独的水平集函数。我们表明，该计划是能够重现实验观察到的特征手指图案的一个接口通过其他爆裂点。模拟结果与实验结果进行了比较。此外，我们考虑一个模型的问题，其中一个环形体的流体是在一个旋转的Hele-Shaw细胞的发展。在这种情况下，我们的模拟探索如何一个或两个接口可以是不稳定的，并开发指进模式，这取决于旋转速率和流体的体积。
2023-01-18 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Numerical simulations of viscous fingering in fractured porous media
本文通过高分辨率数值模拟研究了裂缝性多孔介质中非均质性对黏性指进的影响，发现裂缝与基质间的渗透率差异会促使低黏度流体优先在裂缝中流动，从而稳定驱替前缘并抑制黏性指进。
2023-09-11 cond-mat.soft physics.flu-dyn physics.geo-ph
Stability of viscosity stratified flows down an incline: Role of miscibility and wall slip
本文研究了壁面速度滑移对重力驱动下倾斜两相混溶流线性稳定性的影响。流体具有匹配的密度但不同的粘度。由于流体之间存在薄的混合层，因此实现了平滑的粘度分层。结果表明，滑移的存在表现出的承诺，通过提高临界雷诺数在发病和减少带宽的不稳定波数超过阈值的主导不稳定性的混相流系统的稳定。这与其在单一流体沿着光滑基底向下的情况下的作用不同，在光滑基底中，滑动在开始时使流动系统不稳定。虽然稳定性类似于相同的流动系统下的刚性基板，滑动被证明延迟任何粘度对比的表面模式不稳定性。当混合层远离/靠近/靠近滑壁时，对由于主导扰动临界层与混合层重叠而产生的重叠模态有阻尼/促进作用。滑移效应的变化趋势受混合层位置、粘性较大流体位置以及两种流体的质量扩散系数的影响。滑移的稳定特性可以有利地用于抑制非线性击穿，该非线性击穿可能由于在无滑移的衬底上的流动中的不稳定模式的共存而发生。本研究的结果表明，它是可取的，以满足特定的应用程序的特定需要，设计一个光滑的表面具有适当的滑动灵敏度。
2016-05-20 physics.flu-dyn
Experimental investigations of linear and nonlinear periodic traveling waves in a viscous fluid conduit
由两种高粘度的Stokes流体之间的浮力动力学产生的管道表现出丰富的非线性波动力学。然而，很少有人知道的基本波的色散特性的介质。在目前的工作中，一个泵被用来注入一个时间周期性的流动，导致在沿管道接口的小振幅和大振幅的周期性行波传播的激励。这个造波器问题被用来作为一种手段来测量线性和非线性色散关系和相应的周期性行波轮廓。测量结果与完全非线性的长波模型（导管方程）和分析计算的线性色散关系的两个斯托克斯流量的预测相比，是有利的。观察到一个临界频率，标志着传播和非传播（空间衰减）波之间的阈值。波剖面的测量和波数-频率色散关系定量地与管道方程的波解一致。从导管方程的预测临界频率的上移观察，并假设将弱再循环流到完整的二斯托克斯流模型，我们观察到可操作的实验中解释。当边界条件对应于管道方程的非线性周期性行波解的时间轮廓时，观察到与管道非线性色散关系和波轮廓定量一致的弱非线性和强非线性椭圆余弦型波。该造波机问题是粘性流体管道非线性波动力学中更一般边值问题实验研究的重要先导。
2022-02-11 nlin.PS physics.flu-dyn
Linear Stability Analysis of Two-phase, Two-Component Flow in Porous Media
University of Bergen（卑尔根大学）
针对部分混溶两相流，建立考虑重力、毛管力、弥散和传质的线性稳定性模型，发现传质通过降低黏度比和改变激波性质主要起稳定作用。
2026-06-19 math-ph math.MP physics.flu-dyn
Coalescence of immiscible droplets in liquid environments
本研究通过高速成像和理论模型，实验探究了低和高粘度液体中不混溶液滴的合并动力学，发现液桥生长遵循不同幂律，并提出统一惯性-粘性-毛细时间尺度，揭示惯性与粘性阻力的联合作用。
2023-12-24 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Optimal rigid brush for fluid capture
本研究通过解析模型和精密实验，揭示了刚性刷从液体浴中抽出时夹带液体的非单调行为，并推导出最大化捕获液体量的最优刷几何形状，为高效液体操控装置设计提供了新途径。
2024-11-24 physics.flu-dyn
Capillary Sorting of Particles by Dip Coating
在这封信中，我们描述了基于浸涂的颗粒尺寸的毛细管分选。从液体浴中取出的基材夹带涂层，涂层的厚度取决于取出速度和液体性质。如果涂层材料包含颗粒，则仅当将颗粒与基板一起拉动的粘性力克服可变形弯月面处的相反毛细力时，颗粒才被夹带。对于不同尺寸的颗粒，该力阈值出现在不同的液体厚度处。在这里，我们表明，这种差异可以用来分离小颗粒从混合悬浮液通过毛细管过滤。在双分散悬浮液中，我们观察到三种不同的过滤制度。在低毛细管数Ca下，没有颗粒夹带在液体涂层中。在高Ca下，所有颗粒尺寸都被夹带。对于这两个极端之间的毛细管数范围，只有最小的颗粒被夹带，而较大的颗粒留在储层中。我们解释了这种技术可以应用于多分散悬浮液。我们还提供了一个估计的范围内的毛细管数分离给定尺寸的颗粒。这种技术与浸涂的可扩展性和鲁棒性相结合，使其成为高通量分离或纯化工业和生物医学悬浮液的有希望的候选者。
2020-11-02 cond-mat.soft physics.flu-dyn
