21384

21384

مطالعه عددي پديده انگشتي شدن جريان لزج امتزاجي در محيط متخلخل شكاف دار

كارشناسي ارشد

مكانيك

1398

مهرماه 1398

دكتر حميد صفاري

دكتر سيد مصطفي حسينعلي پور

مكانيك

مطالعات مربوط به ناپايداري انگشتي لزج 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 مي گويند. در اين پژوهش برخلاف بيشتر پژوهش‌هاي پيشين كه در آن‌ها از معادله دارسي دو فاز براي بررسي تقريبي ناپايداري‌ها استفاده شده بود، از يك مدل دو بعدي بر اساس كوپل شدن معادلات جريان در محيط متخلخل و انتقال گونه هاي آبكي با قابليت شبيه سازي محيط هاي داراي شكاف استفاده شده است. در اين مدل حركت جريان در سلول توسط قانون دارسي شبيه سازي خواهد شد و سرعت بدست آمده از دارسي در هر نقطه به عنوان ورودي در معادله انتقال گونه ها جايگذاري مي شود. بنابراين مي توان در شرايط ويژه مانند محيط هاي غير دارسي، بي جاي قانون دارسي از معادله برينكمن بهره برد. 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(پكلت) و لزجت سيال(نسبت لزجت)، بيان گرديده است. از طرفي مطالعه گسترده اي بر روي مشخصه هاي شكاف و اثر آنها در شكل گيري و رشد انگشتي ها صورت گرفته است. در هر مورد مكانيزم‌هاي مختلف مشاهده شده در آن توصيف شده و پارامترهاي بازده جاروب، سرعت متوسط نوك انگشتي‌ها، بعد فراكتالي با استفاده از پردازش تصوير اندازه‌گيري شده و با هم مقايسه مي شوند. با تجزيه و تحليل نتايج مشاهده شد كه با افزايش نرخ تزريق، شكل انگشتي‌ها پيچيده‌تر مي شود و تقسيم نوك انگشتي‌ها افزايش مي يابد. اين عوامل در نهايت منجر به كاهش بازده جاروب سلول خواهد شد. همين طور افزايش اختلاف لزجت بين دو سيال موجب افزايش طول مرز مشترك و بعد فراكتالي خواهد شد. با وجود شكاف در ورودي شاهد جذب شدن انگشتي ها به محيط شكاف بوديم كه ميزان اين جذب شدگي با افزايش نفوذپذيري و گشودگي شكاف رابطه اي مستقيم داشت. با افزايش زاويه شكاف تا 90 درجه اين مقدار كاهش مي يابد كه خود موجب افزايش بازده جاروب مي شود. همينطور افزايش زاويه و ابعاد و نفوذپذيري شكاف باعث كاهش پيچيدگي انگشتي ها و افزايش بازده جاروب مي شود. واژه‌هاي كليدي: محيط متخلخل، شكاف، جابجايي امتزاج‌پذير، ناپايداري انگشتي لزج، معادله برينكمن، قانون دارسي

1398/09/12

numerical investigation of viscous fingering instability in a fractured porous media

10/21/2020 12:00:00 AM

The studies related to viscous fingering instability in porous media due to it’s usage is very significant such as enhanced oil recovery, aquifers and filtration. Displacing more viscous fluid with less viscous fluid led to instability at the interface between two fluids. Consequently, patterns similar to the finger was formed which is called viscous fingering instability. In this research against most previous studies, that had been used two-phase Darcy for approximate examination of instabilities, a two-dimensional model was used based on the coupling of flow equations in a porous media and transport of dilated species with capability of simulating medias with fractures. In this model, flow movement in the cell was simulated by Darcy law. The obtained velocity derived from Darcy in each point was placed as an input in transport equation. So, in specific conditions such as non-Darcy media, the Brinkman equation can be used instead of the Darcy law. In this research for the first time different characteristics of instability was expressed both qualitative and quantitative based on non-dimensional number related to Peclet rate and viscous ratio. On the other hand, extensive study has been done on the fracture characteristics and it’s effect on the formation and growth of the fingers. In each case, the various mechanisms observed in, was described and the sweep efficiency parameters, the average velocity of the finger tips, the fractal dimension and etc. was measured and compared by the image processing. By analyzing the observed results, with increasing injection rates, shape of the fingers became more complicated and the split of the finger tips increased. These factors ultimately led to reduction in sweep efficiency. Also, increasing the viscosity difference between two fluids led to increase in perimeter of the interface and fractal dimension. In spite of the fracture in the input, the fingers were attracted to the fracture media that the absorption rate has a direct relationship with increase permeability and aperture of the fracture. By increasing the fracture angle to 90 degrees, this amount was decreased which increased sweep efficiency. Also increasing the angle, dimensions and the permeability of the fracture, reduced the complexity of the fingers and increase the sweeping efficiency. Keywords: porous media, fracture, viscous fingering instability, darcy law, brinkman equation