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Dispersión de trazadores en flujos de soluciones poliméricas en medios porosos
Alejandro D’Onofrio Marta Rosen Catherine Allain Jean Pierre Hulin
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Resumen/Descripción – provisto por el repositorio digital
En este trabajo se presenta el estudio de las propiedades de transporte a través de un medio poroso de un trazador salino diluido en una solución de polímero. Los medios porosos son fabricados a partir de microesferas de vidrio y pueden ser de simple o doble porosidad. El objetivo del trabajo es utilizar las caracteristicas reofluidizantes de las soluciones de polímero para aumentar la influencia de las heterogeneidades del medio poroso sobre el campo de velocidades de flujo y reforzar el contraste entre las zonas de alta y baja velocidad en el medio. Los experimentos consisten en la inyección de una solución salina de NaNO3 en el medio. La concentración de polímero permanece constante durante los mismos. En la entrada del medio se induce una variación abrupta de concentración de sal. A la salida del mismo se obtienen las curvas de dispersión (variación de la concentración de sal en función del tiempo) por medio de medidas conductimétricas. El análisis de las curvas se realiza por medio de ajustes con modelos teóricos (en ciertos casos mediante la evaluación directa del ancho del frente) para determinar un coeficiente de dispersión (la dispersividad es igual a la relación entre el coeficiente de dispersión y la velocidad media del flujo). Los experimentos han sido realizados tanto con la técnica clásica de “transmisión”, donde se deja que el frente de variación de concentración atraviese completamente la muestra, como con la técnica de “eco” en la cual se invierte la velocidad de flujo antes que el frente de variación de concentración llegue a la salida del medio y en ese caso se detecta la variación de concentración en la entrada de la muestra porosa. Esta ultima técnica nos provee información complementaria sobre la presencia eventual de heterogeneidades a gran escala (zonas estratificadas o canales de diferente permeabilidad) donde la contribución al aumento de la \\dispersividad es particularmente reversible en relación al cambio de la dirección del flujo. En este trabajo fueron usadas soluciones reofluidizantes de un polisacárido neutro (escleroglucano) de diferentes concentraciones: el exponente característico del decrecimiento de la viscosidad con la velocidad de deformación varió entre 0.4 y 0.8 en el rango donde la variación puede ser aproximada por una ley de potencia. Las medidas de esfuerzos normales muestran que estas soluciones son muy poco elásticas. Los medios porosos de simple porosidad utilizados están formados por empaquetamientos dc esferas de vidrio de un diámetro típico de l mm. Los medios de doble porosidad están formados por granos porosos de diámetro dg= 500 μm y de porosidad 30% que se obtiene por medio del sinterizado de esferas de vidrio de diámetro 110 μm (los blocs sinterizados son partidos y tamizados para obtener el grano poroso). Debido al pequeño contrataste de densidad asociado a la presencia del trazador, podemos observar inestabilidades inducidas por la gravedad según el sentido del contraste de densidad entre el fluido inyectado y desplazado (el flujo es dirigido hacia arriba). Las medidas de dispersividad, realizadas con las soluciones Newtonianas, confirman la existencia de un aumento mucho mas fuerte de la dispersividad con el numero de Péclet, para medios de doble porosidad que para los de simple. Esto se observa para Pe del orden de 10 (el numero de Péclet Pe = Udg/Dm caracteriza la relación entre los efectos de la convección y la difusión molecular). Este aumento es debido a la transición entre los regímenes de transporte convectivo y difusivo en el interior de los granos y al hecho que a velocidades elevadas, donde el transporte convectivo es dominante, el contraste de velocidad entre el interior y el exterior de los granos aumenta la dispersión en relación al los medios de simple porosidad. Esta característica de aumento neto de la dispersividad con el número de Péclet son globalmente conservadas para los medios de doble porosidad que hemos utilizado con soluciones poliméricas (siempre en el caso de configuración de desplazamiento estable). Para las soluciones de polímero, el resultado mas marcado es el hecho que, a un numero de Péclet dado, observamos un aumento neto de la dispersividad con la concentración de polímero (es decir con el exponente característico n de la variación de la viscosidad). Este resultado es atribuido a las características reofluidizantes de la solución que incrementa el contraste entre los caminos de alta y baja velocidad que pudieran encontrarse dentro de un medio poroso. El aumento es particularmente importante a números de Péclet intermedios (del orden de algunas decenas) y, en este dominio de velocidades, las curvas de dispersión se apartan notablemente de las predicciones clásicas de la ecuación de convección - difusión Gaussiana. Observamos un arribo anticipado del frente de variación de concentración - índice de la presencia posible de caminos de flujo preferencial en el interior del medio -. Una primer explicación natural es pensar en un aumento del contraste de velocidad entre el interior y exterior de los granos debido a las soluciones de polímero. Este aumento debería, sin embargo, en este caso ser particularmente fuerte a números de Péclet muy elevados lo cual no se observa experimentalmente. Por otra parte, este aumento significativo de la dispersividad se observa igualmente en los medios de doble porosidad y simple porosidad. Una hipótesis complementaria es la presencia de heterogeneidades a gran escala (canales preferenciales, estratificación, capas sobre las paredes ...) pero corresponden a contrastes relativamente débiles de permeabilidad. La influencia de las mismas pueden ser considerablemente amplificadas por las soluciones reofluidizantes. Esta hipótesis a sido evaluada comparando los resultados de las mediciones de dispersión en transmisión y eco: la dispersividad medida con esta ultima técnica puede en efecto ser reducida por la reversibilidad parcial del escalamiento del frente de concentraciones asociado a presencia de heterogeneidades a gran escala. Hemos efectivamente observado una reversibilidad parcial neta de la dispersión para las soluciones de polímero mas concentradas (η = 0.6) y mas débil para las menos concentradas (η = 0.4) y despreciable para las soluciones newtonianas. Estos resultados tienden a confirmar la influencia - al menos parcial - de grandes heterogeneidades. Ello indica igualmente que un aumento considerable de la sensibilidad de las medidas de dispersión a la presencia de heterogeneidades débiles pudo ser obtenida utilizando soluciones reofluidizantes en lugar de fluidos newtonianos elegidos en primer lugar para el transporte del trazador. Los electos de inestabilidad inducidos por gravedad en las configuraciones de flujo gravitacionalmente inestable son, sobre todo, importantes cuando las velocidades del flujo son bajas y los poros de gran tamaño. Para las soluciones newtonianas las inestabilidades no son observables para números de Péclet superiores a 200: las variaciones de concentración verifican la ecuación de convección - difusión clásica (curvas de dispersión Gaussiana) y el coefieiente de dispersión medido es el mismo en la configuración estable e inestable de desplazamiento de los fluídos. Para los números de Péclet entre 50 y 200, las curvas poseen forma Gaussiana pero la dispersividad es superior en el caso inestable. Para números de Péclet inferiores a 50, las curvas de dispersión se apartan sensiblemente de la solución de la ecuación de convección - difusión . Para los fluídos newtonianos (agua y solución de glicerol de viscosidad 7x10ˉ³ Pa.s), los valores de dispersividad dependen únicamente del número de Péclet tanto en el caso estable como en el caso inestable. Para los experimentos realizados con las soluciones de polímero reofluidizante, las inestabilidades aparecen para un número de Péclet mas bajo que para las soluciones newtonianas. La diferencia es mas notoria cuando el exponente característico de la viscosidad es mas elevado. Este resultado indica que el parámetro dominante que controla la aparición de las inestabilidades es la viscosidad de los fluídos y no la difusión molecular (esta posee el mismo valor para las soluciones poliméricas que para el agua, mientras que la viscosidad aumenta). Ha sido posible definir un criterio de aparición de las inestabilidades a partir del parámetro G que representa la relación entre los gradientes de presión de origen hidrostático y viscoso (en el caso de soluciones reofluidizantes, el termino de viscosidad es calculado a partir del valor de la viscosidad efectiva en el medio poroso, valor deducido de medidas de gradientes de presión en función del caudal). Hemos encontrado un valor único critico Gc que caracteriza la apararon de las inestabilidades para diferentes soluciones Newtonianas y no-Newtoniana utilizadas en nuestros experimentos.Palabras clave – provistas por el repositorio digital
POLIMEROS; INESTABILIDAD DE GRAVEDAD; DISPERSION; MEDIOS POROSOS; FLUIDOS NO-NEWTONIANOS; POLYMER; GRAVITY INESTABILITIES; POROUS MEDIA; NON-NEWTONIAN FLUIDS
Disponibilidad
| Institución detectada | Año de publicación | Navegá | Descargá | Solicitá |
|---|---|---|---|---|
| No requiere | 2000 | Biblioteca Digital (FCEN-UBA) (SNRD) |
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Información
Tipo de recurso:
tesis
Idiomas de la publicación
- español castellano
País de edición
Argentina
Fecha de publicación
2000
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