밀폐및제한된 계면활성제 기반 전단 점성 비탄성 유체의 구형 입자 의 정착 속도의 실험 적 측정
Summary
이 논문은 계면 활성제 기반 전단 가차 점탄성 유체에서 구형 입자의 말단 침전 속도를 측정하는 실험 절차를 보여줍니다. 광범위한 유변학적 특성에 대한 유체가 준비되고 정착 속도는 결합되지 않은 유체및 병렬 벽 사이의 유체의 입자 크기 범위에 대해 측정됩니다.
Abstract
계면활성제 기반 전단 협착성(VES) 유체에서 구형 입자의 말단 침전 속도를 측정하기 위한 실험 연구가 수행된다. 측정은 평행벽 사이의 무한유체와 유체에 침전되는 입자를 위해 이루어집니다. 다양한 유변학적 특성에 대한 VES 유체는 제조되고 유변학적으로 특징지어집니다. 유변학적 특성화에는 점성과 탄성 특성을 각각 정량화하기 위해 꾸준한 전단 점도와 동적 진동 전단 측정이 포함됩니다. 무한한 조건하에서의 침전 속도는 입자 직경의 직경이 25배 이상인 비커에서 측정됩니다. 평행벽 사이의 침전 속도를 측정하기 위해 벽 간격이 다른 두 개의 실험 셀이 생성됩니다. 다양한 크기의 구형 입자는 유체에 부드럽게 떨어지며 정착할 수 있습니다. 이 프로세스는 고해상도 비디오 카메라로 기록되며 입자의 궤적은 이미지 분석 소프트웨어를 사용하여 기록됩니다. 터미널 침전 속도는 데이터에서 계산됩니다.
무한한 유체의 침전 속도에 대한 탄성의 영향은 르노 등의 비탄력적 드래그 예측에 의해 계산된 정착 속도와 실험 정착 속도를 비교하여 정량화된다. 1 결과는 유체의 탄력이 정착 속도를 증가하거나 감소시킬 수 있음을 보여줍니다. 감소/증가의 크기는 입자의 유체 및 특성의 유변학적 특성의 함수입니다. 벽을 감금하면 침전에 지체 효과가 있는 것으로 관찰되고 지체는 벽 인자의 관점에서 측정됩니다.
Introduction
액체내 입자의 현탁액은 제약 제조, 폐수 처리, 공간 추진제 재주입, 반도체 처리 및 액체 세제 제조를 포함한 응용 분야에서 발생합니다. 석유 산업에서 점성탄성 골절 유체는 유압 골절에서 프로프팬츠(일반적으로 모래)를 운반하는 데 사용됩니다. 프로퍼팬츠를 펌핑하는 것이 중단되면 골절을 열어 두고 탄화수소가 다시 흐를 수 있는 전도성 경로를 제공합니다.
입자의 침전은 유체, 크기, 모양 및 입자의 밀도와 벽을 제한하는 효과에 의해 제어됩니다. 기어다니는 흐름 체제에서 뉴턴 유체에 구형 입자침을 정착시키는 경우, 1851년 스토크스가 파생한 스토크스 방정식에 의해 정착 속도가 주어집니다. 더 높은 레이놀즈 숫자에서 드래그 포스를 계산하는 표현은 후속 연구원에 의해 제시되었다2-6. 벽을 제한하면 입자에 지체 효과를 가하여 침전 속도를 줄입니다. 벽계수, Fw는무한한 조건하에서 침전 속도에 벽을 제한하는 상황에서 단말 정착 속도의 비율로 정의된다. 벽 계수는 구속벽의 지체 효과를 정량화한다. 레이놀즈 수의 넓은 범위에 걸쳐 다른 단면 튜브에 뉴턴 유체에 정착 구체에 대한 벽 요인을 결정하는 많은 이론적 및 실험 연구는 문학7-13에서사용할 수 있습니다. 전체적으로, 뉴턴 유체의 구체에 대한 드래그를 결정하는 데 사용할 수있는 광범위한 정보 본문이 있습니다.
비뉴턴 유체, 특히 점성탄성 유체에서 입자의 침전 속도를 결정하는 과거의 작업은 덜 완전합니다. 다양한 수치예측(14-18) 및 실험연구(19-24)는 비탄력적 전력법 유체에서 구의 드래그 력을 결정하기 위해 문헌에서 사용할 수 있다. Tripathi 외의 이론적 예측을 사용 하 여. 15 및 트리파티와 샤브라17,르노 외. 도 1은 비탄력성 전력법 유체에서 드래그 계수(CD)를계산하기 위해 다음과 같은 식을 개발하였다.
RePL<0.1 (들어오는 흐름 정권)
여기서 X(n)는드래그 보정 계수(13)이다. RePL은다음과 같이 정의된 전력법 액체에 속하는 구의 레이놀즈 번호입니다.
여기서f는 액체의 밀도입니다. 드래그 보정 계수는 다음 방정식1이장착되어 있습니다.
드래그 계수의 정의를 사용하여 침전 속도가 다음과 같이 계산됩니다.
0.1<RePL<100
여기서 X는 입자의 투영된 영역에 대한 표면적의 비율이며 구의 경우 4와 같습니다. CD0은 수학식 1, CD∞에 의해 주어진 스토크스 영역(RePL < 0.1)의 드래그 계수이며, 뉴턴 의 영역에서 드래그 계수의 값(RePL > 5 x 102)이며0.44와 같다. 매개 변수β, b, k는 다음과 같이 표현됩니다.
αo = 3 및 α X(n)와 관련된 평균 전단 속도에 대한 보정입니다.
침전 속도를 계산하려면 차원이 없는 그룹 Nd 25가 사용됩니다.
Nd는 침전 속도와 무관하며 명시적으로 계산할 수 있습니다. 이 값과 방정식 5에서드래그 계수 식을 사용하여 RePL을 반복적으로 해결할 수 있습니다. 그런 다음 침전 속도를 계산할 수 있습니다.
수학식 1-9의 식은 값 1 ≥ n ≥ 0.4에 대해 얻은 이론적 예측을 기반으로 했습니다. Chhabra13은 위의 표현에서 얻은 예측을 Shah26-27(n)의 실험 결과와 비교하였다(n)는 0.281-0.762및 포드 등으로부터 다양하였다. 28 (n에서 0.06-0.29). 식은 드래그 계수를 정확하게 예측하는 것으로 나타났습니다. 이러한 분석에 기초하여, 상기 제형은 1≥ n ≥ 0.06에 대한 비탄력성 전력법 유체에서 구형 입자의 침전 속도를 계산하는 데 사용될 수 있다. 이 예측된 침전 속도는 비탄력적 전력법 유체의 실험 속도와 비교하여 전력법 점탄성 유체의 실험 속도와 비교하여 침전 속도에 유체 탄성의 영향을 결정합니다. 자세한 단계는 다음 섹션에서 설명합니다.
점성탄성 유체에서 입자의 침전 속도의 결정은 또한 다른 연구원에 의해 다양한 관측을 가진 연구의 주제가 되었습니다; (i) 기어다니는 흐름 정권에서 전단 숱이 효과는 완전히 점성탄성 효과를 압도하고 침전 속도가 순수점성이론(29-32)과우수하게 일치하며, (ii) 입자는 크리프 흐름 정권의 항력 감소를 경험하고 탄성30,33,34,(iii) 침전속도에 의한 침전 속도가증가하여 35의탄력성으로 인한 침전 속도가 증가한다. 월터스와태너(36)는 보거 유체(지속적인 점도 탄성 유체)의 탄성은 낮은 바이센베르크 수치에서 항력 감소를 야기하고 더 높은 바이센베르크 수치에서 드래그 향상을 일으킨다고 요약했습니다. McKinley37은 구의 여파로 확장 효과가 더 높은 바이센버그 숫자에서 드래그 증가를 일으킨다고 강조했습니다. 무한하고 제한된 점성탄성 유체에서 입자의 정착에 대한 사전 작업을 종합적으로 검토 한 후 Chhabra13은 이론적 개발에서 유체 탄성과 함께 전단 속도 의존점의 현실적인 설명을 통합하는 과제를 강조했습니다. 구형 입자의 정착에 벽 효과의 연구는 또한 지난 몇 년 동안 연구의 영역되었습니다38-42. 그러나 원통형 튜브에 구형 입자를 침전시하는 데 모든 작업이 수행되었습니다. 병렬 벽 사이의 점탄성 유체에 침전되는 구형 입자에는 데이터를 사용할 수 없습니다.
이 작품은 전단 가탄성 유체에 구체의 정착을 실험하려고합니다. 이 실험 연구의 목적은 유체 탄성의 영향을 이해하는 것입니다, 전단 숱이 및 전단 점탄성 유체에 구형 입자의 정착 속도에 벽을 고정. 이 논문은 몇 가지 대표적인 결과와 함께이 연구에 사용되는 실험 방법에 초점을 맞추고 있습니다. 분석과 함께 자세한 결과는 이전간행물(43)에서찾을 수 있습니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
실험 연구는 좁고 제한된 조건에서 점성탄성 유체를 얇게 하는 전단 입자의 침전 속도 측정에 중점을 둡니다. 침전 속도의 반복 가능한 측정을 얻기 위한 상세한 실험 절차가 제시된다. 결과는 유체 탄성이 정착 속도를 증가하거나 감소시킬 수 있음을 보여주기 위하여 제시됩니다. 벽은 침전에 지체 효과를 발휘하고이 효과는 벽 요인의 관점에서 측정된다.
실험 전에 입자가 ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
저자는 재정 지원을 위해 DOE와 RPSEA에 감사하고 오스틴텍사스 대학에서 유압 골절 및 모래 제어에 JIP를 후원하는 회사에 감사드립니다 (에어 리퀴드, 에어 제품, 아나다코, 아파치, 베이커 휴즈, BHP 빌리톤, BP 아메리카, 셰브론, 코노코필립스, 엑손모빌, 페루스, 할리버튼, 페메스, , 프락사어, 사우디 아람코, 슐럼버거, 쉘, 남서부 에너지, 스테이토일, 웨더포드, YPF).
Materials
| Name of the reagent / equipment | Company | Catalogue number | Comments |
| Glass Microspheres | Whitehouse Scientific | #GP1750 | Available in different sieve fractions. |
| Rheometer | TA Instruments | ARES | Any standard rheometer capable of taking dynamic and static measurements |
| Anionic Surfactant (Component A) | Proprietary fluid | Used in oil field services for hydraulic fracturing. Sodium Xylene Sulfonate can be used as a substitute. | |
| Cationic Surfactant (Component B) | Proprietary fluid | Used in oil field services for hydraulic fractuing. N,N,N-Trimethyl-1-Octadecamonium Chloride can be used as a substitute. |
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