30821

بررسي آزمايشگاهي و عددي ناپايداري انگشتي شدن جريان در فصل مشترك دو سيال در محيط متخلخل

دكتري تخصصي (PhD)

مهندسي مكانيك- تبديل انرژي

1393

1402/11/2

حميد صفاري - سيد مصطفي حسينعلي پور

ندارم

مهندسي مكانيك

به هنگام جابجايي يك سيال توسط سيالي با گرانروي كمتر در بستر متخلخل، ناپايداري انگشتي لزج كه با نام سافمن تيلور نيز شناخته مي‌شود، در مرز مشترك دو سيال شكل مي‌گيرد. ناپايداري انگشتي لزج در فرآيندهاي مختلف صنعتي مانند كروماتوگرافي، فيلتراسيون، ازديادبرداشت نفت و... وجود دارد. با توجه به نياز روز افزون كشور در بهبود فرآيندهاي ازدياد برداشت و همچنين بافت شكاف‌دار مخازن هيدروكربوري، بررسي اين پديده در محيط متخلخل شكاف‌دار از اهميت بالايي برخوردار است. در اين پژوهش به بررسي آرمايشگاهي و عددي پديده‌ي انگشتي لزج امتزاجي در محيط متخلخل ساده و شكاف‌دار پرداخته شده است. بدين منظور دامنه‌هاي دو بعدي متخلخل شكاف‌دار وساده به عنوان بستر و سيالات نيوتني و غيرنيوتني به عنوان سيال جابجاكننده در نظرگرفته شده است. براي مدل‌سازي جريان سيالات از معادله‌ي دارسي، دارسي اصلاح شده و انتقال در قسمت عددي استفاده شده‌است. كليه‌ي شبيه‌سازي‌ها در نرم‌افزار كامسول و تحليل نتايج در نرم‌افزار متلب انجام شده است. در قسمت آزمايشگاهي مشاهدات مربوط به محيط متخلخل و محيط متخلخل شكافدار صورت گرفته است. آناليز پردازش تصاوير بدست آمده بررسي كمي نتايج حاصله را امكان¬پذير كرده است. اثر تغيير اعداد بي‌بعد پكلت، نسبت گرانروي، نسبت تراوايي و نسبت دهانه‌ي شكاف در قالب هاي كمي و كيفي بررسي گرديده¬اند كه بخش كيفي شامل روندكلي و پديده‌هاي مختلف در تشكيل انگشتي‌ها و بخش كمي شامل بررسي پارامترهاي زمان‌گشايش، بازده جاروب، طول مرز مشترك و بعدفراكتالي مي‌شود. روند كلي شكلگيري انگشتيها در حالتهاي نيوتني و غيرنيوتني متفاوت ولي ثابت است. در حالت نيوتني در لحظهي شروع جابجايي و در حالت غيرنيوتني با تاخير انگشتيهاي ريزي تشكيل ميشود. به طور كلي با پيشروي سيال در طول سلول، پديدههاي مختلفي از جمله بهم پيوستگي و ادغام رخ مي‌دهد كه در نتيجه‌ي آن انگشتي‌هاي بزرگ‌تري شكل مي‌گيرد. در ادامه‌ي مسير با رخ‌دادن پديده‌هاي تقسيم نوك انگشتي و تقسيم از كنار، انگشتي‌هاي جديد پديد مي‌آيد. كميت و كيفيت رخ‌دادن پديده‌هاي مختلف به پارامترهاي مختلفي از جمله سرعت جابجايي، گرانروي سيالات، خواص محيط و ... بستگي دارد كه بصورت مفصل در خصوص آنها بررسي شده است. مشاهدات آزمايشگاهي براي سيالات نيوتني انجام شده است ولي نتايج عددي با عنايت به كاهش محدوديت¬هاي محاسباتي براي سيالات نيوتني و غيرنيوتني صورت گرفته است. با افزايش سرعت جابجايي به طور كلي، جريان در هر دو حالت نيوتني و غيرنيوتني پيچيده‌تر مي‌شود. پديده‌هاي تقسيم نوك انگشتي و تقسيم از كنار بيشتر پديد مي‌آيند و از پهناي انگشتي‌ها كاسته مي‌شود. زمان گشايش و بازده جاروب با افزايش سرعت جابجايي، كاهش مي‌يابند. در پژوهش حاضر در قسمت آرمايشگاهي و عددي سلول محيط متخلخل با شكاف¬هايي با زاويه 0، 45 و 90 نسبت به راستاي تزريق جريان مورد مطالعه و بررسي تغييرات پارامترهاي مهم و تأثير¬گذار پرداخته شده است. دامنه‌ها‌ي شكاف 45 درجه بيش‌ترين و شكاف 0 درجه كم‌ترين بازده جاروب را دارند. در مشاهدات آزمايشگاهي و نتايج عددي شكاف 0 درجه به عنوان كانالي با تراوايي بالا شناخته مي¬شود كه باعث عبور سريع جريان شده و غالبا موارد بازده را كاهش و بعد فراكتالي و پيچيدگي انگشتي¬ها را افزايش مي¬دهد. با افزايش نسبت گرانروي در هر دو حالت نيوتني وغيرنيوتني پديده‌ي بهم پيوستگي كاهش و پديده‌ي تقسيم نوك انگشتي افزايش پيدا مي‌كند و به طور كلي انگشتي‌هاي باريك‌تر و بزرگ‌تري شكل مي‌گيرد. بازده جاروب و زمان‌گشايش با افزايش نسبت گرانروي كاهش مي‌يابند. در نسبت گرانروي كم، دامنه‌ي شكاف 45 درجه بيش‌ترين و در نسبت‌هاي بالاتر دامنهي شكاف 90 درجه بيشترين بازده جاروب را دارد. افزايش نسبت تراوايي باعث افزايش تاثير شكاف‌ها بر جريان شده‌است كه ميزان اين افزايش در شكاف‌ها متفاوت است. بسته به نوع شكاف، شدت پديده‌هاي متخلف كاهش يا افزايش داشته است. بازده جاروب و زمان‌گشايش درحالت نيوتني با افزايش نسبت تراوايي در دامنه‌هاي شكاف 0، 45 و 90 درجه به ترتيب روند كاهشي ، افزايشي و ثابت داشته‌اند. درحالت غيرنيوتني اين روندها به ترتيب كاهشي، كاهشي و افزايشي بوده است. دهانه شكاف يكي از پارامترهاي مهم هندسي شكاف مي¬باشد. با افزايش نسبت دهانه‌ي شكاف، به طور كلي تاثير شكاف‌ها برجريان بيش‌تر شده كه در واقع مي‌توان گفت پديده‌ها يكسان بوده ولي اثر بخشي بيش‌تر شده‌است. بازده ‌جاروب و زمان‌گشايش درحالت نيوتني با افزايش نسبت دهانه‌ي شكاف در دامنه‌هاي شكاف 0، 45 و 90 درجه به ترتيب روند كاهشي ، افزايشي و افزايشي داشته‌اند. درحالت غيرنيوتني زمان‌گشايش به ترتيب كاهشي، كاهشي و ثابت و بازده جاروب به ترتيب كاهشي ، افزايشي و ثابت بوده است.

1403/02/02

Experimental and Numerical Investigation of the Viscous Fingering Instability at the interface of Two Fluids in Porous Media

1/21/2025 12:00:00 AM

The interaction between two fluids with different viscosities has been a field of attention in recent years. The displacement of a fluid by another less viscous fluid often results in an instability commonly known as Saffman–Taylor instability or simply the viscous fingering instability. Two-phase flow displacements are encountered in many practical applications and situations such as in hydrology, geothermal sites, water contamination and chromatography. In this study the miscible viscous fingering instability in a rectangular flow cell with engraved porous matrix was examined experimentally and numerically and finger patterns were discussed in details to find out how fingers were generated or coalesced. In this study, three 2D rectangular fractured and Non-fracture porous models that were installed horizontally have been employed to examine the effect of fracture orientation on finger behaviors. Three porous models with 0°, 45° and 90° fractures were used in order to study the effect of fracture orientation. The model is 20 cm in width, 33 cm in length and 3 mm in depth. In the Experimental section porous models were made of acrylic glasses and carved by CO2 laser technique. During the experiments, glycerol–water solution and dyed methanol were used as displaced and displacing fluids, respectively. Effect of injection rate, viscosity contrast, and gravitational field on instabilities was investigated based on Peclet number (Pe), viscosity ratio (VR). Image processing techniques were performed to measure quantitative parameters including breakthrough time, sweep efficiency, and fractal dimension. It was revealed that as the Peclet number and viscosity ratio increases, more complex fingers were produced and less efficiency was reported. A common trend was observed in all the results which was a cycle of generating and coalescence fingers through tip-splitting and shielding mechanisms. Furthermore, spreading mechanism increased and tip-splitting mechanism reduced as displacement progressed. As injection rate (Péclet number) and viscosity ratio increased, more fingers were generated, splitting became the dominant mechanism, and tip of fingers broadened as the consequence of skewering mechanism. In a severe viscosity ratio, back of fingers thinned to the point that separation from the main flow occurred. Sweep efficiency and breakthrough time decreased by injection rate, having the highest values in 90° fracture. In lower flow rates, there was a considerable difference among the three models, while the difference of sweep efficiencies and breakthrough times decreased by injection rate. The change in the linear slope of the sweep efficiency is perceptible when the breakthrough of displacing fluid happens. The effect of injection rate is clearly observable in the results as the tip position line steepens and breakthrough time decreases by injection rate. The breakthrough time, tip position and sweep efficiency followed the general behavior—similar to non-fractured models of previous works which decreased by the injection rate.

محيط متخلخل شكاف‌دار , ناپايداري انگشتي لزج امتزاج پذير , مجموعه آزمايشگاهي , معادله دارسي , سيال نيوتني , سيال غيرنيوتني

porous media with fracture , miscible viscous fingering instability , experimental setup , Darcy equation , Newtonian Fluid , Non-Newtonian fluid

Behrooz Zare vamarzani

Dr. Hamid Saffari