Inestabilidades entre fluídos miscibles en medios porosos

• Autores: Obernauer, Silvia
• Año de publicación: 1999
• Idioma: español castellano
• Tipo de recurso: tesis doctoral
• Colaborador/a o director/a de tesis: Rosen, Marta
• Materia: FINGERING VISCOSO; CELDA DE HELE-SHAW; DESPLAZAMIENTOS MISCIBLES; ESTRUCTURAS FRACTALES; FLUIDOS NO-NEWTONIANOS; VISCOUS FINGERING; HELE-SHAW CELL; MISCIBLE DISPLACEMENT; FRACTAL STRUCTURE; NON-NEWTONIAN FLUIDS
• Institución: Universidad Nacional de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales

En este trabajo se presenta un estudio experimental de desplazamientos defluidos miscibles dentro de medios porosos y celdas de Hele-Shaw empleando fluidos Newtonianos y no-Newtonianos con técnicas de visualización. La primera parte está dedicada al estudio de la inestabilidad que aparece en lainterfase entre dos soluciones de una única especie difusíva cuando la solución másconcentrada se ubica sobre la menos concentrada (inestabilidad de Rayleigh-Taylor). Esta inestabilidad se estudia en forma preliminar para una interfase sin condiciones deflujo y se complementa el estudio en desplazamientos dentro de una celda de Hele-Shawcolocada en forma horizontal. Se inyecta colorante que empuja agua pura y seobservan con el tiempo la aparición de estrías paralelas a la dirección del flujo detrás delfrente de avance. Los resultados experimentales son interpretados en términos de unainestabilidad gravitatoria debido a gradientes verticales de concentración del coloranteinyectado inducidos por el perfil de velocidades del flujo. Dicho perfil, en el espesor dela celda, crea un gradiente de concentración que puede ser modelado como unaestructura de tres capas. Si bien los experimentos muestran que la longitud de ondacaracteristica de la estructura es del orden del espesor de la celda, se encuentra ademásuna dependencia con el aumento de contraste de densidades entre ambos fluidos enacuerdo con modelos teóricos. Se encuentra experimentalmente que la periodicidadmedia es independiente del caudal es decir que es independiente de la velocidad de lainterfase. Se estudia también el tiempo de aparición de estas inestabilidades en funcióndel caudal de inyección, de la concentración del colorante y de la inclinación de lacelda. En la segunda parte de esta Tesis se presenta el estudio de desplazamientos defluidos donde uno de los mismos es una solución polimérica (soluciones de Xanthano)con un comportamiento tipo reofluidizante. Los desplazamientos son siemprehorizontales y la inestabilidad aparece cuando el fluido menos viscoso empuja al másviscoso (inestabilidad de Saffman-Taylor). En primer término se analizan experienciasen donde el agua coloreada empuja soluciones poliméricas dentro de un medio porosorectangular cuasi bidimensional consistente en empaquetamientos de microesferas devidrio. Se encuentra una rica variedad de estmcturas al variar el caudal, la concentracióndel polímero y el tamaño de microesferas. Para altas concentraciones de polímero lasmismas son del tipo fractal. A partir de la medición de la dimensión fractal en bandas alo largo de la estructura se logra evidenciar propiedades de multiscaling. De laobservación del crecimiento de los dedos individuales que aparecen encontramos dostipos de comportamientos dinámicos. En segundo término se estudian desplazamientocon la misma solución polimérica pero en celdas de Hele-Shaw con inyección radial. Eneste caso la viscosidad del segundo fluido, de comportamiento Newtoniano, se elige deun valor intermedio entre las viscosidades del polímero a altas y bajas velocidades decorte. Se observa en cada experiencia una transición de un desplazamiento estable ainestable cuando la velocidad media del frente se vuelve menor que un valor crítico. Seinvestiga la dependencia de la velocidad critica con la viscosidad del fluido Newtonianoy con el caudal. La velocidad crítica es comparada con la velocidad donde la viscosidadde ambos fluidos es la misma si se desplazaran en forma independiente.
An experimental study of miscible fluid displacement inside porous media and Hele-Shaw cell employing Newtonian and non-Newtonian fluids is reported in thiswork. This miscible displacement process was studied by means of visualizationtechniques. The first part is concerned with the study of the instability that appears at theinterface between two miscible solutions of a single diffusing species when the higherconcentration solution is placed over the lower one (Rayleigh-Taylor instability). Wehave studied this instability in a preliminary way in a no flowing front. We completedthe study with investigations of displacements where dye pushes pure water inside anhorizontal Hele-Shaw cell. After a certain time striations parallel to the flow areobserved near the displacement front. Experimental results suggest an interpretation interms of the gravitational instability due to the vertical dye concentration gradientsinduced by the flow profile between the cell plates. The velocity profile in the cellthickness creates a gradient of concentration that can be modeled as a three-layerstructure. Experiments show that the mean wavelength is of the order of magnitude ofthe cell thickness. This characteristic length is found to depend on the density contrastbetween both fluids in agreement with theoretical expectations. We foundexperimentally that the mean periodicity is independent of the flow rate and thereforeindependent of the interface velocity. We have also studied the onset time of theseinstabilities as a function of the flow rate, the dye concentration and the cell inclination. In the second part we present the experimental study of miscible displacementswhere one of the fluid is a polymeric solution (Xanthan solutions) with a shear-thinningbehavior. The displacements are always horizontal and the instability appears when theless viscous fluid pushes the more viscous one (Saffman-Taylor instability). We analyzeexperiments where water pushes polymeric solution inside a rectangular pseudo-bidimensionalporous media consisting of glass spheres packing. Experiments wereperformed with porous media with two different grain size and varying the polymerconcentration and the flow rate. A rich variety of patterns were found. At high polymerconcentration a fractal behavior was observed. The fractal dimension was measured onbands along the structure in order to verify experimentally the multiscaling properties. From the observation of the finger evolution in time we have found two differentdynamic behaviors. We also studied displacements with the same polymeric solution ina radial Hele-Shaw cell. In this case, the viscosity of the second fluid, which has Newtonian behavior, is tuned to lie between high and low shear rate asymptoticapparent viscosities of the polymeric solutions. A crossover from a stable displacementto an unstable situation displaying viscous fingering patterns is observed, as the meanfront velocity becomes lower than a critical value. The dependence of this criticalvelocity on Newtonian fluid viscosity and the injection rate is investigated. Theexperimental critical velocity is compared with the velocity at which the viscosity ofboth fluids is the same.
Fil: Obernauer, Silvia. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina.