مطالعه عددي كاناليزه‌شدن جابجايي لزج امتزاجي در محيط متخلخل شكاف‌دار

كارشناسي ارشد

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.

194830

دانشگاه علم و صنعت ايران

دكتر حميد صفاري

تبديل انرژي

دكتر مصطفي حسينعلي پور