Nano-scale numerical modeling of salinity effect on the pressure distribution in a thin charged aqueous film

Osmotic and electrostatic potential are the two major potentials for influencing the total in thin films. Due to the effect of ionic strength gradient, the dynamics of pressure evolution in the thin films play an important role on the film hydrodynamics and the change of contact angle. The presence of charged solid surfaces and ions transport in the aqueous liquid can cause the hydrodynamics and electrochemical interactions between liquid and solid surface. These interactions are complicated in reality and provide mathematical and computational challenges in simulation. To describe the interaction of ionic diffusion and thin film hydrodynamics, numerical models are normally introduced in research. This work proposes a numerical simulation to reproduce the model presented by Joekar-Niasar et al. by COMSOL software which makes the simulation of flow and transport in microscopic charged systems more feasible. The resulting electric potential, averaged concentration profile and evolution of pressure field of this numerical simulation are then compared to those of the intended article. We conclude that the assumed boundary conditions for ion concentration and electric potential on the right hand side boundary of the domain gives a massive discontinuity in the field especially when we solve for the non-equilibrium condition. So, we modify this boundary conditions both for concentration and electric potential to obtain more reasonable results and make the simulation more comparable to the experimental result. In compare with other numerical models, our model based on the modified boundary condition can simply show how reducing the ionic strength of the system, will increase the pressure inside the thin layer of electrolite which leads to the detachment of the oil from the surface, instead of dealing with differential pressure computation relative to steady state or transient osmotic pressure. Furthermore, our numerical model simulated by COMSOL can be coupled with other numerical models to investigate the further important microscopic mechanisms resulting the Low-Salinity Water(LSW) effect in improved oil recovery.

Il potenziale osmotico ed elettrostatico sono i due potenziali principali per influenzare il totale nei film sottili. A causa dell'effetto del gradiente di forza ionica, la dinamica dell'evoluzione della pressione nei film sottili gioca un ruolo importante sull'idrodinamica del film e sul cambiamento dell'angolo di contatto. La presenza di superfici solide cariche e il trasporto di ioni nel liquido acquoso possono causare l'idrodinamica e le interazioni elettrochimiche tra la superficie liquida e solida. Queste interazioni sono complicate nella realtà e forniscono sfide matematiche e computazionali nella simulazione. Per descrivere l'interazione tra diffusione ionica e idrodinamica a film sottile, nella ricerca vengono normalmente introdotti modelli numerici. Questo lavoro propone una simulazione numerica per riprodurre il modello presentato da Joekar-Niasar et al. dal software COMSOL che rende più fattibile la simulazione del flusso e del trasporto in sistemi microscopici carichi. Il potenziale elettrico risultante, il profilo di concentrazione medio e l'evoluzione del campo di pressione di questa simulazione numerica vengono quindi confrontati con quelli dell'articolo previsto. Concludiamo che le ipotesi condizioni al contorno per la concentrazione di ioni e il potenziale elettrico sul limite destro del dominio danno una discontinuità massiccia nel campo soprattutto quando risolviamo per la condizione di non equilibrio. Quindi, modifichiamo queste condizioni al contorno sia per la concentrazione che per il potenziale elettrico per ottenere risultati più ragionevoli e rendere la simulazione più paragonabile al risultato sperimentale. In confronto con altri modelli numerici, il nostro modello basato sulla condizione al contorno modificata può semplicemente mostrare come ridurre la forza ionica del sistema, aumenterà la pressione all'interno del sottile strato di elettrolite che porta al distacco dell'olio dalla superficie, invece di trattare con il calcolo della pressione differenziale rispetto allo stato stazionario o alla pressione osmotica transitoria. Inoltre, il nostro modello numerico simulato da COMSOL può essere accoppiato con altri modelli numerici per studiare ulteriori importanti meccanismi microscopici risultanti nell'effetto Acqua a bassa salinità (LSW) nel miglioramento del recupero dell'olio.