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Fluid inertia controls mineral precipitation and clogging in pore to network-scale flows

堵塞 降水 雷诺数 流体力学 机械 地质学 材料科学 环境科学 湍流 物理 气象学 考古 历史
作者
Weipeng Yang,Michael A. Chen,Sang Hyun Lee,Peter K. Kang
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [Proceedings of the National Academy of Sciences]
卷期号:121 (28) 被引量:1
标识
DOI:10.1073/pnas.2401318121
摘要

Mineral precipitation caused by fluid mixing presents complex control and predictability challenges in a variety of natural and engineering processes, including carbon mineralization, geothermal energy, and microfluidics. Precipitation dynamics, particularly under the influence of fluid flow, remain poorly understood. Combining microfluidic experiments and three-dimensional reactive transport simulations, we demonstrate that fluid inertia controls mineral precipitation and clogging at flow intersections, even in laminar flows. We observe distinct precipitation regimes as a function of Reynolds number (Re). At low Reynolds numbers (Re < 10), precipitates form a thin, dense layer along the mixing interface, which shuts precipitation off, while at high Reynolds numbers (Re > 50), strong three-dimensional flows significantly enhance precipitation over the entire intersection, resulting in rapid clogging. When injection rates from two inlets are uneven, flow symmetry-breaking leads to unexpected flow bifurcation phenomena, which result in enhanced concurrent precipitation in both downstream channels. Finally, we extend our findings to rough channel networks and demonstrate that the identified inertial effects on precipitation at the intersection scale are also present and even more dramatic at the network scale. This study sheds light on the fundamental mechanisms underlying mixing-induced mineral precipitation and provides a framework for designing and optimizing processes involving mineral precipitation.
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