بخشی از مقاله
خلاصه
جریانهای چندفازی در محیطهای متخلخل هم در طبیعت و هم در صنعت از اهمیت بالایی برخوردارند و مورد توجه طیف وسیعی از محققین قرار گرفتهاند. به طور خاص، اندرکنش قطرات با سطوح متخلخل در بسیاری از فرآیندها، مانند اسپری برگهای گیاهان با آفتکشها، چاپگرها، نفوذ باران و آبهای سطحی به خاک و غیره کاربردهای زیادی دارد. هدف اصلی این پژوهش بررسی اثرات اندرکنش قطرات با یک محیط متخلخل است. جریان چندفازی در محیط متخلخلی، متشکل از موانع مربعی در رژیم غیردارسی در گرادیان فشار مختلف، مورد بررسی قرار گرفتهاست. از میان محیط متخلخلی که قبلا" مایعی در آن جریان دارد، قطرهای با خواص متفاوت عبورداده که برخورد این قطره که هم مقیاس با محیط متخلخل بوده، الگوهای مختلف شکست، حبس و یا بهم پیوستن را ایجاد نمودهاست. روش عددی شبکه بولتزمن که در محیط متخلخل به همراه جریان چندفازی قابلیت و انعطافپذیری بالایی از خود نشان داده، مورد استفاده قرار گرفته است.
پارامترهای موثر مهم مرتبط با جریان چندفازی - مانند عدد آنسرج، نسبت چگالی فازها - مورد بررسی قرار گرفتهاند. در این پژوهش مقادیر گرادیان فشار بیبعد وارده، 0/000108، 0/000144 و 0/000180 و محدوده آنسرج مورد بررسی 0/76-0/19 میباشند. نتایج بدست آمده نشان میدهد که بر رفتار قطرات درون محیط متخلخل فاکتورهای بسیاری تاثیرگذار است. فاکتورهای مرتبط با قطره و فاز زمینه - خواص سیالی - ، مانند تنش سطحی و نسبت چگالی در کنار خصوصیات جریان - مانند گرادیان فشار - بسیار موثر بوده و تنوعی از حالات رفتاری قطره را به وجود میآورد که در قالب یک مطالعه پارامتریک مورد تحلیل قرار میگیرند. نتایج بدست آمده قابلیت پیشبینی رفتار قطرات و ریختشناسی - شکلشناسی - حالات شکست، به هم پیوستن و حبس قطره در محیط متخلخل را به وسیله اعداد بدون بعد مرتبط با جریانهای چندفازی و محیط متخلخل امکانپذیر میسازد.
کلمات کلیدی: محیط متخلخل، مقیاس حفره، موانع مربع شکل، جریان دوفاز، قطره، روش شبکه بولتزمن.
.1 مقدمه
مطالعه جریان در یک محیط متخلخل همواره مرکز توجه بسیاری از پژوهشهای صورت گرفته بوده است. در حقیقت، در طبیعت و تکنولوژی بسیاری از پدیدههای موجود بنحوی شامل محیطهای متخلخل میشوند. فیلتراسیون آب در سنگها، جریان سیالات در میان سنگهای زیرزمین و سفرههای زیرزمینی مثالهای مشخصی از فیزیک مذکور میباشند. در مهندسی شیمی، سنگهای یک میدان نفتی میتوانند به عنوان یک محیط متخلخل در نظر گرفته شوند که دارای فضاهای خالی بوده و یکپارچگی و نفوذ ناپذیری یک ماده معمول را ندارد. در این حوزه از پژوهش، درک رفتار سیالات در مخازن طبیعی، شناخت مقدار نفت یا مشتقات نفتی بازآوری شده از پارامترهای فنی بوده و بایستی در طراحی یک سیستم استخراجی درنظر گرفتهشوند.
مطالعه جریان سیالات دوفازی در مخازن نفتی موضوع پژوهشهای وسیعی بوده است [1-2]و قطعاً حوزه کاربردی است که بیشترین توجه را به توسعه تئوریهای مرتبط با محیط متخلخل داشته است.از کاربردهای امروزیتر در رابطه با تئوریهای مرتبط با محیط متخلخل، کاربرد در مهندسی انرژی، مطالعه جریان دوفاز از میان الکترودهای پیلهای سوختی را میتوان نام برد .[3] در بیوتکنولوژی، درختان و گیاهان میتوانند آب را از طریق ساختارهای حفرهای درون خود به واسطه خاصیت مویینگی بالا بکشند و انتقال دهند. علاوه بر این، بسیاری از غشاهای بیولوژیکی میتوانند در زمره یک محیط متخلخل به شمار آیند که توضیح و دلیلی برای رشد تئوریهای مرتبط با محیط متخلخل در حوزه بیوتکنولوژی است .[4-5] همانطور که مشاهده میشود، اندرکنش جریان دوفاز با محیط متخلخل کاربرد وسیعی در صنایع مختلف و طبیعت دارد.
بنابراین، در این زمینه به مطالعات پایهای پدیدهها و فیزیک حاکم بر آنها بیشتر نیاز است. ازاین رو، موضوع تحقیق حاضر بررسی دقیق اندرکنش قطرات با ساختار داخلی محیط متخلخل و شناسایی اعداد بدونبعد مرتبط با آن میباشد.در تئوریهای کلاسیک محیط متخلخل، خواص سیال به وسیله روشهای مرتبه بالا مورد بررسی قرار میگیرد . هدف از مطالعه محیط متخلخل در اغلب مسائل مهندسی، بدست آوردن جزئیات دقیق و توصیف حفرههای موجود در محیط متخلخل نیست زیرا این مقیاس از نظر تجربی و آزمایشگاهی قابل دسترسی نیست - عملی نیست - ، بلکه هدف تمرکز بر روی شاخصهای ماکرومقیاس و تعریف کمیتهای ماکروسکوپیک براین اساس میباشد.
رابطه دارسی که توسط، هنری دارسی که در قرن 19 ارائه شد براساس رویکرد ماکرومقیاس میباشد. این رابطه بیان میکند وقتی یک سیستم به حالت تعادل رسید، دبی جرمی یک سیال در درون محیط متخلخل متناسب با نسبت اختلاف فشار و ویسکوزیته دینامیکی سیال است. ثابت تناسب این رابطه مهمترین کمیت در محیط متخلخل است که تراوایی نامیدهمیشود. به عبارتی ساختار حفره ها خودش را در سطح ماکروسکوپیک به نمایش میگذارد تا حدی که تراوایی را تحت تاثیر قرار میدهد. تراوایی یک محیط متخلخل تا حد زیادی به سایز، توزیع و شیوه اتصال حفرههای تشکیل دهنده یک محیط متخلخل بستگی دارد. قانون دارسی فقط برای سیالات نیوتنی در دامنه خاصی از دبی سیال معتبر است. با افزایش دبی سیال انحراف از قانون دارسی افزایش مییابد. این موضوع توسط فورچمیر، 1901 و دیوپویت، 1863 مشاهده شده است.
مشاهدات تجربی و مدلهای ریاضی نشان میدهند که این انحراف به دلیل اثرات اینرسی، توربولانسی سیال و سایر فاکتورهایی که میتوانند به سرعت بالای سیال نسبت داده شوند، است - فرانچر و لویس، 1993؛ هابرت، 1956؛ می و آریالت، 1991؛ چن و همکاران، 2000ب - .هابرت مشاهده کرد انحراف از قانون دارسی در یک عدد رینولدز در حدود 1 - بر اساس سایز دانههای تشکیل دهنده محیط متخلخل - اتفاق میافتد در حالی که پدیده توربولانس تا رینولدز حدود 600 اهمیت پیدا نمی کند - عزیز و ستاری،. - 1979 اصلاح معادله دارسی برای جریان سیالات با دبی بالا توسط عبارت مرتبه دوم فورچمیر اعمال می شود - فورچمیر، 1901؛ وارد، 1964 ؛ چن و همکاران، 2000ب - . تراوایی به وسیله معادلات ساختاری - بقا - به پارامترهایی که ساختار محیط متخلخل را توصیف میکند، مرتبط میشوند.
یک مثال از این معادلات، معادله کارمن کوزنی است که تراوایی را به ضریب تخلخل هندسه محیط متخلخل، فاکتور شکل و کمیتی به نام تورتوسیتی مرتبط میکند .[1]در مورد جریانهای چندفازی در محیط متخلخل، رابطه دارسی میتواند به وسیله مفهوم تراوایی نسبی توسعه پیدا کند که تلاشی در جهت وارد کردن اثرات حضور سیالات دیگر - در قالب فاز یا گونه دیگر - محسوب میشود. در این حالت، شرایط ترشوندگی محیط متخلخل و پارامترهای بدون بعد مرتبط با حضور فاز دوم از اهمیت بالایی برخوردار هستند. پیچیدگیهای موضوع سبب شده تا تحقیقات اولیه روی اثر پارامترهای مختلف بر تراوایی و تراوایی نسبی به صورت تجربی صورت بگیرند.
پن و همکارانش ، روش شبکه بولتزمن را برای مطالعه تراوایی یک آرایش مربعی و یک آرایش تصادفی از کرهها به همراه عبارتهای مختلف برخورد مورد استفاده قرار دادند.[6] لازم بذکر است که مطالعات آنها بصورت تک فاز میباشد. کاربرد استفاده از یک محیط متخلخل تولید شده به روش تصادفی به طور کلی، در بسیاری از مقالات مرسوم است. برای نمونه آلتوسالمی در سال 2005 ، از این روش برای مطالعه تراوایی سنگریزههای ساخته شده از ماسه سنگ استفاده کردهاست .[7] در حالت دوفاز نیز هوانگ و همکارانش در سال 2009 ، با مدل تک جزئی شان و چن به مطالعه وابستگی تراوایی نسبی به پارامترهای مختلف از قبیل زاویه تماس و نسبت ویسکوزیته در یک آرایش تصادفی از مربعهای دو بعدی پرداختند .[8] مدل دو جزئی شان و چن پیشتر توسط پن و همکارانش در سال 2004 ، برای بدست آوردن منحنی اشباع فشار کاپیلاری و مقایسه نتایج با نتایج تجربی به کار رفته است .[9]
هاوو و چنگ در سال 2010 روش انرژی آزاد برای بررسی تراوایی نسبی یک مجموعه از کرهها و یک لایه نفوذ گازی برای کربن استفاده کردند .[10]تب و همکارانش در سال 2009 با استفاده از روش شبکه بولتزمن به بررسی رفتار دینامیکی آب کندانس شده و بخار در یک غشای الکترولیت پلیمری پیل سوختی در حالت دو بعدی پرداختند .[11] هوانگ و همکارانش در سال 2014 به مطالعه جریان سیال دو فازی درون محیط متخلخل به کمک روش شبکه بولتزمن و مدل گرادیان رنگ با زمان آسایش چندگانه پرداختند [.12]هوان و همکارانش در سال 2011 به مقایسه سه مدل انرژی آزاد، شان چن و رتاهام کلر و بررسی عمکلرد از نظر دقت و پایداری آنها در محیط متخلخل پرداختند .[13] لیو و همکارانش نیز در سال 2013 از روش شبکه بولتزمن به همراه مدل لی برای جریان دو فازی در محیط تخلخل استفاده کردند .[14]
توجه شود که در هیچکدام از تحقیقات فوق، رفتار منفرد یک قطره هم مقیاس با حفرههای تشکیل دهنده محیط متخلخل مطالعه نشده است و در تمامی این تحقیقات شعاع قطرات بسیار بیشتر از اندازه موانع هستند. هم مقیاس نبودن ابعاد قطرات و موانع سبب شده تا قطرهها بسادگی توسط موانع شکسته شده و در نتیجه تنوع بسیار کمی در رفتار شکست قطرات مشاهده شود. از اینرو، در تحقیق حاضر مقیاس طولی قطرات و موانع محیط متخلخل از یک مرتبه در نظر گرفتهشده که نتیجه آن تنوع بیشتر در رفتار شکست قطرات در محیط متخلخل است. به عبارت دیگر، هم مقیاس بودن قطرات و موانع در محیط متخلخل سبب وقوع پدیدههای متنوع بیشتری شده که در تحقیق حاضر گزارش میشوند. علاوه براین، در این تحقیق تلاش شده تا اعداد بی بعدی با شاخصهای قابل اندازه گیری در مقیاس ماکروسکوپیک تعریف-شوند تا از نظر مهندسی معنی دار باشند. این کار با هدف تعمیم بخشیدن و عمومیت دادن به نتایج بدست آمده انجام گرفته است. براین اساس، نمودار های شاخصی که می توانند برای رفتاری شناسی دینامیک قطره در محیط متخلخل بسیار کارآمد باشند استخراج شدهاند.
