Лаборатория «Экспериментальная гидродинамика»

Руководитель: Ахметов Альфир Тимирзянович

Направления исследований

Гидродинамика дисперсных сред в капиллярных структурах

ris1.jpgВ лаборатории проводятся экспериментальные исследования течения дисперсных систем (прямые и обратные эмульсии, суспензии, газовые эмульсии, биологические дисперсии), нефтей, полимерных растворов, газожидкостных смесей в различных типах капиллярных структур (плоский капиллярный канал (ячейка Хили-Шоу) с поступательным и радиально-расширяющимся течениями, цилиндрический капилляр с осесимметричным течением и сложная капиллярная структура, отображающая срез реального нефтяного керна, в котором присутствует сложный спектр течений). Пористая структура, отображающая срез реального керна, изготовлялась путем избирательного химического травления в приповерхностном слое плоского оптического стекла, используемого в интерферометрии. Для изготовления системы каналов на поверхность стекла наносится фоторезист, который засвечивается ультрафиолетом через фотошаблон. Фотошаблон представляет собой контрастное изображение аншлифа нефтеносной породы. Засвеченные участки фоторезиста растворяются и далее плавиковой кислотой вытравливаются каналы в стекле. Этот фотолитографический метод обычно используется при изготовлении микросхем, физические модели, полученные таким образом, в мировой практике принято называть микромоделями. Наша модель отличается от общепринятых своей разборностью, которая достигнута за счет высокого качества плоскостности поверхности пластин, сажаемых на оптический контакт. Рабочий участок в микромодели так же, как и в ячейке Хили-Шоу, составляет площадку размером 4х2 см, а глубина каналов 15 мкм. Верхняя пластина такая же, как и в ячейке Хили-Шоу.

ris2.jpg Разборная плоская микромодель пористой структуры. а) стеклянная пластина с каналами, б) вторая пластина с входным и выходными отверстиями, в) посадка пластин на оптический контакт, г) модель в сборе виден фронт закачиваемой воды, на границе с воздухом.

В лаборатории изготавливаются каналы переменного сечения и сложные капиллярные структуры, для визуализации гидродинамических эффектов. Обнаружен удивительный эффект динамического запирания, состоящий в том, что течение обратных водоуглеводородных эмульсий и крови (плазмы с эритроцитами), организованное за счет перепада давления в капиллярных структурах со временем останавливается, несмотря на постоянно действующий перепад давления. В качестве объектов исследования выступали обратные высококонцентрированные водоуглеводородные эмульсии как стабилизированные искусственным эмульгатором (стабилизированные), так и без него (нестабилизированные). Размер микрокапель во всех случаях намного меньше размера капиллярных каналов. Реологические характеристики измеряются на ротационном вискозиметре, используя систему конус-пластина. Отличительной особенностью используемой аппаратуры заключаются в возможности визуализации процессов, протекающих при реологических измерениях.

ris3.jpg Зависимость касательного напряжения от скорости деформации сдвига (1 – прямой ход, 2 – обратный ход) и визуализация изменения структуры эмульсии в измеряемом объеме между конусом и пластиной. Параметры аппроксимационной зависимости стабилизированная эмульсия (слева): к=0,115, n=1,02 (прямой ход), к=1,53, n=0,668 (обратный ход), нестабилизированная эмульсия: к=2,42, n=0,664 (прямой ход), к=0,45, n=0,83 (обратный ход)). Анализ прямого и обратного хода кривых течения обнаруживает, что приведенные эмульсии противоположны по реологических характеристикам: одна обладает свойством реопектика, другая – тиксотропной среды.

При нагнетании в ячейку Хили-Шоу обоих типов эмульсий со временем по данным весов течение прекращается. Нестабилизированная эмульсия обладает малой динамической стабильностью, в ней во время течения в трещине происходит активная коалесценция микрокапель воды, в результате – выделяется водная фаза. Структура потока со временем преображается, выделившаяся водная фаза принимает нитевидные формы, тем не менее течение замирает. В случае течения стабилизированной эмульсии выделение водной фазы незначительно, структура потока прорисовывается за счёт микроскопического перераспределения несущей фазы можно заметить трубки тока, характеризующие ламинарность течения, после истечения 20 минут начинается хаотизация структуры. Далее формируются эквипотенциальные линии, течение останавливается. Удивительно, что как тиксотропная, так и реопектическая среды проявляют эффект динамического запирания.

ris4.jpg Зависимость объема нестабилизированной эмульсии, протекающей через ячейку Хили-Шоу (размер 4х2 см, зазор 35 мкм) при постоянном перепаде давления ∆P=200 кПа, от времени.
ris5.jpg Зависимость объема стабилизированной эмульсии, протекающей через ячейку Хили-Шоу (размер 4х2 см, зазор 35 мкм) при постоянном перепаде давления ∆P=200 кПа, от времени.

Изучение ячейки Хили-Шоу со стабилизированной эмульсией в состоянии «запирания» под микроскопом обнаружило небольшой микропоток у выходного отверстия (на четыре порядка ниже исходного), чем отчасти обусловлено название «эффект динамического запирания». ris6_0.jpg В случае нестабилизированной эмульсии микропотоки обнаружить не удалось. При радиально расширяющемся течении в трещине, также обнаруживается эффект динамического запирания. Как и в плоском случае происходит переход от образующихся трубок тока к хаотизации течения и образования эквипотенциалей, течение замирает, по данным весов наступает запирание.

ris7.jpg Зависимость объема стабилизированной эмульсии, протекающей через радиальную ячейку Хили-Шоу (R=30 мм) при постоянном перепаде давления ∆P=200 кПа, от времени. Для наглядности приведены видеоизображения образующейся структуры в различные моменты времени.

При нагнетании эмульсии в микромодель возникает огромное гидравлическое сопротивление и по мере прохождения ее в капиллярной структуре происходит некоторое расслоение фаз. Часть дисперсионной (несущей) фазы – нефть, обладающая вязкостью существенно меньшей вязкости эмульсий, как бы выдавливается из нее и выходит вперед (рис. 7, слева). В эмульсии, протекающей по каналах капиллярной структуры, происходит коалесценция микрокапель воды, выделяется водная фаза, которая течет по каналам со скоростью существенно превышающей скорость эмульсии, при этом образовавшиеся представительные капли водной фазы продолжают сливаться друг с другом (рис. 7, справа). Аналогичная картина течения наблюдается в отдельном капилляре, но после наступления запирания. Сквозь структуру, образовавшуюся из микрокапель эмульсии у входа в капилляр происходит фильтрация нефтяной фазы. И в тоже время при больших градиентах давления, в результате микродвижений у входа в капилляр происходит коалесценция микрокапель воды. Образовавшаяся из них представительная капля водной фазы, как и в случае капиллярной структуры, движется со скоростью существенно превышающей скорость эмульсии и продавливает ее перед собой в капилляр, где они выстраиваются в виде структуры, приведенной на рис. 7. и движутся все практически с одинаковой скоростью.

ris8.jpg Движение эмульсии в капиллярной структуре микромодели (сверху, движение сверху вниз) и отдельном капилляре (снизу). Цифрами обозначены: 1 – эмульсия, 2 – вода, 3 – нефть.
ris9.jpg Расход крови при течении через 100 микронный капилляр с изменением перепада давления

Эффект «запирания» был обнаружен при различных перепадах давления менее 1 атмосферы. Отличительной особенностью течения крови является то, что стадия «запирания» после достаточно продолжительного времени – десятки минут может самопроизвольно (без изменения перепада давления) смениться стадией течения с постоянным расходом, которая вновь завершается некоторым временным «запиранием». При использовании концентрированной крови стадия запирания становится более четко выраженной, продолжительное запирание наблюдается при меньших давлениях, но в то же время и в данном случае запирание носит временный характер, т.е. течение через некоторое время может самопроизвольно открываться. Обнаруженный эффект «запирания» крови в каналах может найти применение при построении новых моделей возникновения инфаркта и инсульта в кровеносно-сосудистой системе живых организмов. Эффект динамического запирания кроме примеров приведенных выше обнаружен при течении других водоуглеводородных эмульсий (как обратных, так и прямых) и в сложных трехмерных капиллярных структурах (кернах). Различные механические воздействия, действие мощных ультразвуковых полей на «запертую» систему приводят к кратковременному восстановлению течения дисперсий.

Распространения ударных волн в гетерогенных средах

ris10.jpgПри исследовании ударно-волновых течениях с помощью ударной трубы был обнаружен эффект аномального усиления ударных волн в вязко-упругих и высоковязких средах. Получена интерпретация обнаруженного эффекта, которая основана на экспериментально установленном факте накопления пузырьков газа в верхнем слое флюида в камере низкого давления при многократном волновом нагружении. Обнаружен эффект ускоренного освобождения водных полимерных растворов от свободного газа при ударно-волновой обработке.

Международные и российские научные контакты

  • Институт проблем механики РАН (Москва)
  • Институт механики Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова (Москва)
  • Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова (Москва)
  • Российский государственный университет нефти и газа имени И.М. Губкина (Москва)
  • ЗАО «Химеко-ГАНГ» (Москва)
  • Санкт-Петербургский государственный университет (Санкт-Петербург)
  • Институт проблем машиноведения РАН (Санкт-Петербург)
  • Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН (Новосибирск)
  • Институт гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН (Новосибирск)
  • Институт химии твердого тела и механохимии СО РАН (Новосибирск)
  • Тюменский филиал Института теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН (Тюмень)
  • Институт химии нефти СО РАН (Томск)
  • Башкирский Государственный университет (Уфа)
  • ООО «Роснефть-УфаНИПИнефть» (Уфа)
  • Уфимский государственный нефтяной технический университет (Уфа)
  • Институт проблем транспорта энергоресурсов академии наук республики Башкортостан (Уфа)

Сотрудники лаборатории

к.ф.-м.н., Рахимов Артур Ашотович, научный сотрудник

к.ф.-м.н., Саметов Сергей Павлович, младший научный сотрудник

Валиев Азат Ахматович, младший научный сотрудник

Огуречников Глеб Валерьевич, инженер-исследователь