Экспериментальное изучение переноса твердых частиц потоком вязкой жидкости в прямоугольном канале

Внедрение: 2019 г.

Данная работа [1] посвящена экспериментальному изучению транспорта твердых частиц потоком вязкой жидкости в плоском канале. Авторами сконструирована экспериментальная установка, позволяющая измерять реологические параметры тестируемых жидкостей и смесей, а также визуализировать динамику частиц в потоке. Технологический транспорт твердых частиц применяется в различных областях промышленности: транспорт пищевых паст и кетчупов, растворов бетонов и масляных красок, зубных паст и косметических мазей. Актуальная в настоящее время прикладная задача связана с повышением производительности добывающих скважин в нефтяной промышленности, а именно доставка и распределение твердых частиц (пропанта) в трещине, образованной в горной породе в результате гидроразрыва.

В работе изучались свойства течений гелей и их смесей с частицами в канале прямоугольного сечения с прозрачными стенками, позволяющими визуализировать процесс переноса частиц потоком жидкости. Для этого была собрана экспериментальная установка, показанная на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема экспериментальной установки.

Установка включала в себя систему подготовки и подачи смеси, измерительную систему с видеорегистрацией и экспериментальную ячейку. Ячейка имела выводы для подключения датчика дифференциального давления. Использовался датчик MPX5100D, который был сопряжен с компьютером при помощи АЦП E20‑10. Видеорегистрация производилась с помощью камеры Canon EOS 1500D. Система подготовки смеси включала в себя два шприцевых насоса. Первый насос подавал чистый гель, второй обеспечивал подачу смеси частиц и геля в максимально возможной концентрации. Смешивание потоков от обоих насосов в Т‑образном пересечении каналов и регулировка скорости подачи насосов позволяла регулировать концентрацию твердых частиц в итоговой смеси. Система видеорегистрации позволяла записывать картину течения синхронно с записью показаний датчика давления.

На рисунке 2 показаны экспериментальные результаты, полученные при течении чистого линейного геля и смеси линейного геля с твердыми частицами. Зависимости объемного расхода от перепада давления, построенные в логарифмических осях, близки к линейным зависимостям, что указывает на то, что реология может описываться степенной зависимостью. Отклонения от степенной зависимости для смеси гель + частицы заметны только при малых объемных расходах.

Рисунок 2. Зависимости объемного расхода от перепада давления для вязкой жидкости с твердыми частицами.

Для оценки высоты подвижного слоя в осадке твердых частиц в канале ячейки были использованы методы цифровой обработки изображений. В интересующей области канала ячейки выделялась вертикальная линия (рисунок 3а). Интенсивность изображения вдоль выделенной линии выбиралась из всех кадров видеопоследовательности и использовалась для построения пространственно-временного распределения интенсивности вдоль выбранной линии (рисунок 3б).

Рисунок 3. Фрагмент изображения канала с движущейся смесью геля твердых частиц и выделенная линия – (а); пространственно-временное распределение интенсивности вдоль выделенной линии – (б); среднеквадратическое отклонение интенсивности вдоль горизонтальных линий изображения – (в).

Результаты обработки видеопоследовательностей показаны на рисунке 4. 

Рисунок 4. Зависимости толщины подвижного слоя (b) и высоты осаждённых частиц (H) от расхода смеси.

В выводах статьи авторы, в частности, отмечают, что в ходе работы была создана экспериментальная установка с возможностью измерения реологических параметров суспензий, при этом установка позволяет визуализировать процессы течения транспорта твердых частиц. Полученные результаты для линейного геля хорошо аппроксимируются степенным законом Оствальда‑де Ваале, что соответствует ожидаемому поведению.
 

Источник:
Шарипов Р.Р., Батыршин Э.С. Экспериментальное изучение переноса твердых частиц потоком вязкой жидкости в прямоугольном канале // XII Всероссийский съезд по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики: сборник трудов в 4‑х томах. – 2019. – Уфа, изд-во: БГУ. – С. 1143‑1145.

Разработчик: Шарипов Р.Р. (Уфимский гос. авиационный технический университет), Батыршин Э.С. (Башкирский гос. университет), Уфа