Экспериментальное исследование двухфазного течения жидкостей в цилиндрическом капилляре

Внедрение: 2017 г.

Специалисты из Тюмени применили модуль E14‑440 в задаче получения количественных экспериментальных данных об однофазных течениях воды и масла в цилиндрическом капилляре при низких числах Рейнольдса, а также о процессе замещения одной жидкости другой [1]. В экспериментах производились измерения перепада давления и массы прошедшей через капилляр жидкости, выполнялась фото- и видеофиксация движения фронтов вытеснения в широком диапазоне чисел Рейнольдса (0,002 < Re < 500).

Для исследования течения жидкости в капиллярах собрана экспериментальная установка с автоматической регистрацией параметров течения (перепад давления, расход и температура). Схематически установка изображена на рисунке 1.

Капилляр, в котором изучалось течение, установлен горизонтально на массивном основании между двумя сообщающимися сосудами (подающем и приемном). Флюиды подаются в капилляр из сосудов, закрепленных на координатном устройстве, с помощью которого возможно регулировать и фиксировать напор. Принимающий сосуд расположен на весах фирмы AND (модель HR‑200). Показания весов фиксировались каждые 30 секунд. Гидравлическая система установки собрана из трубок, изготовленных из полимерного материала. На каждом участке соединительных трубок установлены краны-зажимы, позволяющие перекрывать поток жидкости. Изменение температуры жидкости и внешней среды фиксирует высокоомный бусинковый терморезистор (типа CT1‑19) на стеклянной ножке, погруженный в подающий сосуд. Датчик подключен к компьютеру через USB. Данные записываются один раз в секунду. Перепад давления на капилляре измеряется при помощи датчика дифференциального давления фирмы Dwyer (модель 616‑6). Данные через АЦП E14‑440 передаются на компьютер. Для автоматизации обработки данных на языке PYTHON написана программа, которая считывает полученные текстовые файлы, синхронизирует данные измерений по времени, усредняет их, удаляет «шум».

Рисунок 1. Схема экспериментальной установки: 1 – капилляр; 2 – дифференциальный датчик давления; 3 – датчик температуры; 4 – АЦП; 5 – сепаратор; 6 – электронные весы; 7 – подающие сосуды; 8 – принимающий сосуд; 9 (a, b, c, d, e) – краны-зажимы.

Ниже приводим некоторые фото проведённых экспериментов из данной статьи [1].

	Вытеснение масла водой в эксперименте "Замещение масла водой в капилляре"
	Волны масляной пленки на стенках капилляра в эксперименте "Однофазное течение воды в капилляре"
	Пузыри в потоке масла в эксперименте "Возобновление течения жидкости после его остановки"
	Формирование водяных пузырей в потоке масла в эксперименте "Возобновление течения жидкости после его остановки"
	Пузыри в потоке масла в эксперименте "Возобновление течения жидкости после его остановки"
	Продавливание масла вокруг водяного пузыря в эксперименте "Возобновление течения жидкости после его остановки"
	Пузыри, собравшиеся на границе раздела фаз при вытеснении воды маслом, в эксперименте "Замещение воды маслом"
	Водяные пузыри, двигаясь в потоке масла у границы раздела фаз, меняют свое положение относительно друг друга в эксперименте "Замещение воды маслом"

При исследованиях установлено, что при однофазном течении движение жидкости в условиях проведенного эксперимента никогда не является стационарным, и его основные параметры не совпадают с теоретически предсказанными. Выявлены и описаны характерные этапы течения при замещении одной жидкости другой. Вытеснение масла водой происходит в «поршнеобразном» режиме, граница масло-вода имеет сферическую форму и после ее прохождения на стенках капилляра остается масляная пленка. Описаны особенности поведения пленки при однофазном течении воды. При вытеснении воды маслом режим течения с однозначно выраженной границей не реализуется, в потоке наблюдаются многочисленные капли и перемычки. Отмечено, что наличие масляной пленки на поверхности капилляра приводит к увеличению расхода жидкости через него.

Источник:
Велижанин А. А., Симонов О.А. Экспериментальное исследование двухфазного течения жидкостей в цилиндрическом капилляре // Вестник Тюменского государственного университета. Физико-математическое моделирование. Нефть, газ, энергетика. – 2017. – Т. 3, № 4. – С. 82‑98. – DOI: 10.21684/2411-7978-2017-3-4-82-98.

Разработчик: Велижанин А. А. (Институт криосферы Земли СО РАН, г. Тюмень), Симонов О.А. (Тюменский государственный университет)