22472

مطالعه عددي كاناليزه‌شدن جابجايي لزج امتزاجي در محيط متخلخل شكاف‌دار

كارشناسي ارشد

تبديل انرژي

1399

1399/3/17

دكتر مصطفي حسينعلي پور

دكتر حميد صفاري

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 عددي پديده‌ي انگشتي لزج امتزاجي در محيط متخلخل 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. از خواص متانول و محلول زانتان به عنوان سيالات نيوتني و غيرنيوتني جابجاكننده و براي سيال جابجا شونده از خواص چهار محلول مختلف آب-گليسرين استفاده شده است. براي مدل‌سازي جريان سيالات از معادله‌ي دارسي، دارسي اصلاح شده و انتقال استفاده شده‌است. كليه‌ي شبيه‌سازي‌ها در نرم‌افزار كامسول و تحليل نتايج در نرم‌افزار متلب انجام شده است. اثر تغيير اعداد بي‌بعد پكلت، نسبت گرانروي، نسبت تراوايي و نسبت دهانه‌ي شكاف در قالب هاي كمي و كيفي بررسي گرديده كه بخش كيفي شامل تحليل روندكلي و پديده‌هاي مختلف در تشكيل انگشتي‌ها و بخش كمي شامل محاسبه‌ي 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. 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. بازده جاروب حالت نيوتني دامنه‌ي شكاف 45 درجه نسبت به دامنه‌ي ساده به طور ميانگين 30 درصد بيش‌تر است. همچنين بازده جاروب حالت غيرنيوتني شكاف 0 درجه نسبت به دامنه‌ي ساده،كاهش به طور ميانگين 5/49 درصدي دارد. به طور كلي بازده جاروب در حالت غيرنيوتني به طور ميانگين 20 درصد بيش‌تر از حالت نيوتني است. 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. در در حالت نيوتني بازده جاروب شكاف 45 درجه با افزايش نسبت گرانروي 30 درصد كاهش داشته است و در حالت غيرنيوتني شكاف 90 درجه با افزايش به طور متوسط 5/2 درصدي نسبت به دامنه‌ي ساده بيشترين بازده جاروب را دارد. به طوركلي در حالت غيرنيوتني بازده جاروب به طور متوسط 60 درصد از حالت نيوتني بيش‌تر است. 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. 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.

1399/06/10

Numerical Investigation of Viscous Fingering Instability in Fractured Porous Media

6/6/2020 12:00:00 AM

Displacing fluids by another fluid is an interesting field for researchers due to its application. Viscous fingering is the well-known phenomenon that occurs in displacement interface in which displacing fluid propagate displaced fluid with a finger-shaped pattern. Viscous fingering motivated by viscosity mismatch is known as Saffman-Taylor. Generally, viscous fingering is observed as an undesirable phenomenon in a wide variety of environmental and technological processes such as liquid chromatography, geothermal reservoir recharge, enhanced oil recovery (EOR), filtration, and hydrology. In this thesis, both Newtonian and non-Newtonian miscible viscous fingering in heterogeneous and fractured porous media is studied, using direct nonlinear simulation. It is considered methanol and four different solutions of Xanthan as displacing fluid. In different scenarios, four binary solutions of glycerol-water are assumed as displacing fluid. The non-Newtonian displacing fluid has shear-thinning behavior has modeled by the Carreau-Yasuda equation. Four different geometry including fractured porous media is investigated. The specification of porous media is obtained from a rectangular flow cell, so the simulation result verified by experimental data. The miscible viscous fingering is modeled by employing Darcy’s law for the Newtonian case and modified Darcy’s law for non-Newtonian coupled with the convection-dispersion equation for concentration. An exponential equation of state for describing the dependency of viscosity on concentration is implemented. These nonlinear equation has been examined using the Comsol multi-physics CFD code,(version 5.4). The finite element method is used to discretize the model equations and mapped mesh to discretize the domain. The effect of the Peclet number, viscosity ratio, permeability, and the aperture ratio is studied in detail. The concentration contours, sweep efficiency, fractal dimension, perimeter of the interface, and breakthrough time are computed for different scenarios and are presented in the quantitative section. The qualitative result section shows that various mechanisms are observed such as shielding, tip-splitting, side-branching, etc. The Peclet numbers and the viscosity ratio have a strong effect on forming these mechanisms. In higher displacement velocity, the more tip-splitting, side-branching, and tinier fingers are observed in both cases. As the viscosity ratio increases, the coalescence mechanisms reduce, and tip-splitting increases, and fingers become tinier. The permeability and aperture ratio of fractures have a negligible effect on forming viscous fingering mechanisms. Generally, fingers in the non-Newtonian case are bigger and wider than the Newtonian case. The quantitative result shows that the sweep efficiency and the breakthrough time reduce as Peclet number and viscosity ratio increase. The finger patterns have more complexity in high Peclet numbers and viscosity ratios due to the higher fractal dimension. The effect of permeability and aperture ratio of fractures on sweep efficiency is varied in different scenarios. Overall, the shear-thinning displacing fluid case has higher sweep efficiency and breakthrough time. For more precise sweep efficiency of shear-thinning displacing fluid case is 60 percent more than another one.