Μια νέα μέθοδος μέτρησης της κλασματικής διαβροχής πορώδων μέσων από πειράματα εκτόπισης δύο φάσεων

Abstract

Η ροή δύο ή περισσότερων φάσεων σε πορώδη υλικά έχει μελετηθεί εκτενώς και συνεχίζει να μελετάται λόγω της ευρείας εφαρμογής της σε διεργασίες που αφορούν τόσο τη βιομηχανία (πχ. εξόρυξη πετρελαίου) όσο και το περιβάλλον (πχ. αποθεραπεία του μολυσμένου υδροφόρου ορίζοντα). Οι περισσότεροι πορώδεις σχηματισμοί που συναντώνται στο περιβάλλον είναι κλασματικής διαβροχής. Τα κλασματικής διαβροχής πορώδη υλικά ερευνώνται ευρύτατα στις μέρες μας λόγω της πληθώρας των εφαρμογών τους (συλλέκτες νερού, νανοκεραμικά, βιοϋλικά, κτλ.). Οι έως τώρα έρευνες που εστιάζουν στην πρόβλεψη της διαβροχής ενός πορώδους υλικού περιορίζονται απλώς στην ποιοτική εκτίμησή της. Στην παρούσα εργασία, ερευνάται αν οι διακυμάνσεις της τριχοειδούς πίεσης είναι δυνατό να παράσχουν ποσοτική πληροφορία που αφορά τη χωρική κατανομή της διαβροχής σε πορώδη μέσα κλασματικής διαβροχής. Για το σκοπό αυτό πραγματοποιήθηκαν πειράματα εκτόπισης της ελαϊκής φάσης από υδατική υπό σταθερή παροχή σε πορώδη μέσα κλασματικής διαβροχής. Τα πορώδη μέσα κλασματικής διαβροχής κατασκευάστηκαν με τυχαία ανάμιξη γυάλινων και πλαστικών (από πολυτατραφθοροαιθυλένιο) σφαιρών, απαράλλαχτης διαμέτρου, έτσι ώστε η γεωμετρία των πόρων να διατηρηθεί αναλλοίωτη. Η χωρική κατανομή των διαφορετικών ειδών σφαιρών διέφερε ακόμη και στην περίπτωση που τα σχετικά τους κλάσματα ήταν ίδια. Κατά τη διάρκεια των πειραμάτων λαμβάνονταν μετρήσεις της μεταβατικής απόκρισης της τριχοειδούς πίεσης και στιγμιότυπα της εκτόπισης ανά τακτά χρονικά διαστήματα. Αρχικά πραγματοποιήθηκαν πειράματα εκτόπισης σε πορώδη μέσα που ήταν ενδιάμεσα υδατοδιαβρεκτά και ισχυρά ελαιοδιαβρεκτά. Τα σήματα της τριχοειδούς πίεσης που ελήφθησαν, αναλύθηκαν με τη μέθοδο των κυματιδίων (wavelet) και συσχετίσθηκαν με τα αντίστοιχα γεγονότα ροής που ελάμβαναν χώρα. Η διαβροχή των περιοχών των πορωδών μέσων που εισδύονταν από την υδατική φάση περιγράφηκε μέσω ενός εμπειρικού δείκτη διαβροχής που ελάμβανε υπόψη τη διαφορετική διαβροχή των εισδυόμενων πόρων (θαλάμων). Ο δείκτης διαβροχής ακολούθως συσχετίστηκε με τα φάσματα λεπτομέρειας που προέκυψαν από την ανάλυση των σημάτων τριχοειδούς πίεσης με τη μέθοδο των κυματιδίων. Από την ανάλυση των παραπάνω πειραματικών δεδομένων έγινε αντιληπτό πως είναι δυνατό να συσχετιστούν οι διακυμάνσεις της τριχοειδούς πίεσης με τη χωρική κατανομή της διαβροχής στα πορώδη μέσα. Ωστόσο, στην περίπτωση ομοιόμορφης και ενδιάμεσης υδατοδιαβροχής ευνοούνται γεγονότα ροής που συνοδεύονται από σημαντικές διακυμάνσεις της τριχοειδούς πίεσης ώστε να καθίσταται δύσκολη η προαναφερθείσα συσχέτιση. Οι διακυμάνσεις της τριχοειδούς πίεσης συσχετίζονται με τη διαβροχή των περιοχών των πορωδών δοκιμίων μόνο στην περίπτωση σύγκρισης γεγονότων όμοιας φύσης. Θεωρήθηκε ότι η μείωση της γωνίας επαφής του ζεύγους των ρευστών με τη γυάλινη επιφάνεια ενδεχομένως να οδηγούσε στην εξαγωγή πιο σαφών συμπερασμάτων. Έτσι πραγματοποιήθηκαν πειράματα εκτόπισης με χρήση ενός δεύτερου ζεύγους ρευστών. Τα πορώδη μέσα κλασματικής διαβροχής ως προς το δεύτερο ζεύγος ρευστών ήταν υδατοδιαβρεκτά και ισχυρά ελαιοδιαβρεκτά. Τα σήματα της τριχοειδούς πίεσης που καταγράφηκαν κατά τη διάρκεια αυτών των εκτοπίσεων ήταν πολύ διαφορετικά από αυτά που καταγράφηκαν κατά τις εκτοπίσεις με το πρώτο ζεύγος ρευστών. Στην περίπτωση του δεύτερου ζεύγους ρευστών, τα σήματα τριχοειδούς πίεσης χαρακτηρίζονταν από πιο αργές και μικρές σε ύψος διακυμάνσεις.