19053

۱۹۰۵۳

مطالعه عوامل مؤثر بر كاناليزه شدن سيال در محيط متخلخل در يك مجموعه آزمايش

كارشناسي ارشد

ديناميك سيالات

۱۳۹۴

۱۳۹۶/۱۲/۱۵

دكتر سيد مصطفي حسينعلي پور - دكتر حميد صفاري

مكانيك

مطالعات مربوط به ناپايداري انگشتي لزج در جابجايي سيالات در محيط‌هاي متخلخل با توجه به كاربردهاي آن از جمله ازدياد برداشت مخازن نفت، سفره‌هاي زيرزميني آب و فيلتراسيون اهميت بسيار زيادي دارد. جابجايي سيالي با لزجت بيشتر توسط سيال با لزجت كمتر منجر به ناپايداري در سطح مشترك دو سيال و درنتيجه شكل‌گيري الگوهايي شبيه به انگشت مي‌گردد، كه به آن ناپايداري انگشتي لزج و يا كاناليزه شدن مي‌گويند. در اين پژوهش براي بررسي تجربي ناپايدارهاي امتزاج‌پذير از يك مدل متخلخل شده به وسيله حكاكي با ليزر كربن دي‌اكسيد بر روي يك صفحه شفاف استفاده شده است. اين صفحه بر روي يك صفحه ديگر محكم شده و محيطي متخلخل با قابليت كنترل پارامترهاي مختلف تخلخل به وجود آورده است. ابتدا سيال لزج‌تر، محيط داخل سلول را اشباع كرده و سپس سيال با لزجت كمتر به وسيله يك پمپ سرنگي به داخل سلول با نرخ ثابت دبي حجمي تزريق مي‌گردد. الگوهاي انگشتي در سلول تشكيل شده و با تابش نور زير سلول و ضبط تصاوير از بالا، تحليل اين ناپايداري‌ها ميسر مي‌گردد. برخلاف بيشتر پژوهش‌هاي پيشين كه در آن‌ها از يك سلول هل-شاو براي بررسي تقريبي ناپايداري‌ها استفاده شده بود، در اين سيستم آزمون، يك محيط متخلخل واقعيِ دوبعدي به وجود آمد. در اين پژوهش براي اولين بار مشخصه‌هاي مختلف ناپايداري هم به صورت كيفي و هم به صورت كمي بر اساس اعداد بي‌بعدِ مربوط به نرخ تزريق، لزجت سيال و جاذبه مؤثر يعني عدد پكلت، نسبت لزجت و عدد رايلي بيان گرديده، مكانيزم‌هاي مختلف مشاهده شده در آن توصيف شده و پارامترهاي بازده جاروب، سرعت متوسط نوك انگشتي‌ها، بعد فراكتالي و ... با استفاده از پردازش تصوير در حالات مختلف اندازه‌گيري شده و با هم مقايسه شدند. انگشتي‌ها به صورت چرخه‌اي از مكانيزم‌هاي پخش‌شوندگي، تقسيم نوك انگشتي و حركت غالب مشاهده شدند. در ابتدا سيال ورودي به سلول با مكانيزم تقسيم نوك انگشتي به تعداد زيادي انگشتي تقسيم شده كه تعدادي از آن‌ها تحت تأثير مكانيزم حركت غالب كه در آن يك انگشتي رشد نموده و جلوي پيشرفت انگشتي‌هاي ديگر را مي‌گيرد، به يكديگر پيوسته و انگشتي‌هاي واحدي را تشكيل دادند. با پيشروي سيال به سمت انتهاي سلول از ايجاد اين دو مكانيزم كاسته شده و در عوض مكانيزم پخش‌شوندگي موجبِ حركت يكنواخت انگشتي‌ها به سمت جلو، بدون تغيير در ساختار آن‌ها شد كه پهن شدن و غالب شدن انگشتي‌هاي موجود، نتيجه اين مكانيزم است. با افزايش نرخ تزريق و زياد شدن عدد پكلت، شكل انگشتي‌ها پيچيده‌تر شد، تقسيم نوك انگشتي‌ها افزايش يافت و مكانيزم جديدي باعث متورم شدن نوك انگشتي‌ها گشت. اين عوامل در نهايت منجر به كاهش بازده جاروب سلول شد. افزايش اختلاف لزجت بين دو سيال نيز اثرات مشابهي را بر روي انگشتي‌ها دارد كه افزايش طول مرز مشترك و بعد فراكتالي گواهي بر پيچيده‌تر شدن الگوي انگشتي‌ها است. در شديدترين حالت اختلاف لزجت پديده تقسيم از كنار به‌وفور ديده شده و اتصال انگشتي‌ها به جبهه اصلي سيال نازك‌تر شد. با زاويه دادن به سلول مي‌توان عدد رايلي را بررسي كرده و تأثير آن را روي انگشتي‌ها مشاهده نمود. مقدار منفي اين عدد مقدار ناپايداري‌ها را كاهش داده و مقدار مثبت آن، موجب اضافه شدن انگشتي‌هاي حاصل از ناپايداري رايلي-تيلور شده كه نتيجه آن كاهش بازده جاروب و افزايش بعد فراكتالي است.

1397/02/31

Experiment investigation of viscous fingering instability in a porous media

5/21/2018 12:00:00 AM

Miscible viscous fingering instability in a rectangular flow cell with engraved porous matrix was examined through experimental measurements and finger patterns were discussed in details to find out how fingers were generated or coalesced. Effect of injection rate, viscosity contrast, and gravitational field on instabilities was investigated based on Peclet number (Pe), viscosity ratio (VR), and Rayleigh number (Ra). 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. In this respect, when gravitational field was exerted by rotating the cell, new instability known as Rayleigh-Taylor amplified the former fingers.