В пористых материалах — почве, горных породах, фильтрах — жидкости движутся через крошечные извилистые каналы. Когда в такой среде одновременно присутствуют две несмешивающиеся жидкости, например вода и воздух, граница между ними постоянно меняется: пузырьки воздуха вытесняют воду из одних пор и открывают путь другим. Это похоже на переполненное метро, где толпа постоянно перестраивается, и отдельные люди вынуждены менять траекторию движения.
Исследователи изучили, как такое нестационарное двухфазное течение влияет на перемешивание растворённых веществ. Оказалось, что движение границы раздела фаз заставляет жидкость растягиваться и складываться, как тесто, которое многократно раскатывают и сворачивают. Этот процесс называется хаотическим перемешиванием: соседние частицы жидкости быстро расходятся, и вещества распределяются гораздо эффективнее, чем при спокойном однофазном потоке.
С помощью численных моделей учёные установили, что скорость перемешивания зависит от расхода потока. При слишком медленном течении жидкость почти не деформируется, а при слишком быстром — граница раздела фаз движется так часто, что не успевает эффективно растягивать жидкость. Максимум перемешивания достигается при оптимальной скорости, когда деформация сдвига уравновешивается частотой смены направления течения.
Это открытие помогает понять, как в природе и технике происходят смешивание и химические реакции в многофазных системах — от миграции загрязнений в грунтовых водах до процессов в химических реакторах. Управляя скоростью потока, можно усиливать или ослаблять перемешивание, что открывает новые возможности для очистки воды, добычи нефти и многих других приложений.
Хаотическое перемешивание в пористых средах похоже на перемешивание краски в банке: если мешать слишком медленно, краска останется неоднородной, а если слишком быстро — возникнут вихри, которые не дают равномерно распределить пигмент.