Изучение эффекта динамического запирания в микроканале, влияние включений Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 532.5; 532.135

ИЗУЧЕНИЕ ЭФФЕКТА ДИНАМИЧЕСКОГО ЗАПИРАНИЯ В МИКРОКАНАЛЕ, ВЛИЯНИЕ ВКЛЮЧЕНИЙ

© А. А. Рахимов

Институт механики Уфимского научного центра РАН Россия, Республика Башкортостан, 450054 г. Уфа, пр. Октября, 71.

Тел./факс: +7 (347) 235 52 55.

E-mail: [email protected]

При течении дисперсий «жидкость-жидкость» в микроканалах под действием постоянного перепада давления обнаруживается замедление, прекращение движения, этот эффект назван динамическим запиранием [1]. Наблюдающиеся запирания эмульсии в капиллярах переменного сечения часто обусловлены появлением рыхлой или твердой частицы, застревающей в узкой части. Их наличие не приводят к значительным изменениями расхода. Однако скопление на них имеющихся, даже в профильтрованной эмульсии, мелких образований приводит к формированию твердой структуры, которая гидродинамически «прозрачна», на ней происходит формирование структуры из микрокапель, приводящие к запиранию эмульсии. Показано, что включения даже меньшего размера по сравнению с диаметром капилляра способствуют наступлению динамического запирания.

Ключевые слова: течение в микроканалах, перепад давления, эффект запирания, реологические свойства.

Введение

Отличительной гидродинамической особенностью дисперсий является их вязкость, которая при увеличении концентрации дисперсной фазы значительно превышает вязкость несущей фазы. Течение эмульсий сопровождается физико-химическими превращениями и ее трансформацией, обусловленной коалесценцией, либо дроблением микрокапель. Движение эмульсии сопровождается перераспределением концентрации дисперсной фазы в потоке, реструктуризацией мицелл в дисперсионной фазе, взаимным переходом молекул ПАВ между дисперсионным объемом и поверхностью капель, миграцией молекул ПАВ по поверхности капель, неоднозначным взаимодействием микрокапель при уменьшении слоя между ними - такое множество преобразований существенно осложняет гидродинамическое поведение системы.

Эффект динамического запирания проявляется в различных типах течений в микроканалах, он состоит в том, что течение эмульсии через микроканал, при постоянном перепаде давления со временем замедляется на несколько порядков, несмотря на постоянно действующий перепад давления [1]. Такое название эффект получил ввиду того, что несмотря на визуально наблюдаемую остановку течения в масштабе модели, в микромасштабе обнаруживаются микропотоки с расходом на 3-4 порядка меньше исходного. Следует отметить, что во всех случаях проявления эффекта динамического запирания изученных нами, размеры микрокапель эмульсии во много раз меньше характерных поперечных размеров микроканалов.

Использование методов визуализации наряду с гидродинамическими параметрами течений позволяет обнаружить структурные изменения в потоках. Сравнивая видеоинформацию, полученную при различных масштабах увеличения, удается выявить

причины, влияющие на изменения параметров потока и его структуры при постоянных внешних условиях.

Методика эксперимента

Эксперименты по течению эмульсий в различных типах микроканалов проводились на установке, состоящей из подводящей системы трубок, участка микроканала, весов для измерения расхода жидкости и видеокамеры. Под давлением, создаваемым компрессором, исследуемая жидкость по подводящим трубкам поступает в микроканал, первоначально заполненный водой. Вытесняемая дистиллированная вода по отводящим трубкам подается в пластиковый стакан с водой, располагающийся на электронных весах НМ-200 (с дискретностью 0.1 мг), сопряженных с компьютером. Вес дистиллированной воды легко пересчитывается в объем протекшей через модель жидкости. Чтобы исключить дискретность, связанную с образованием капель на выходе из трубки, она погружается в воду. Для исключения дрейфа, связанного с испарением воды, на поверхность воды в стакане наливается тонкий слой машинного масла. Давление на входе фиксируется манометром. Движение эмульсии можно наблюдать как в макро-, так и в микромасштабе (с помощью микроскопа). Процесс течения регистрируется с помощью видеокамеры. Для организации подвода и отвода исследуемой жидкости к микроканалу использовались термоусаживающиеся трубки, которые стягиваются при определенной температуре. Перед проведением опытов микроканалы и трубки промываются бензином или петролейным эфиром, далее спиртом и водой.

Результаты и обсуждения

В серии экспериментов по изучению эффекта динамического запирания в цилиндрическом микроканале, когда эмульсия из подводящей трубки диаметром 1500 мкм подавалась в капилляры диа-

метром 100 мкм, было установлено, что динамическое запирание обусловлено процессами структуризации эмульсии у входа в капилляр [2]. При большом диаметре подводящей трубки вся зона с эмульсией у входа в капилляр была непрозрачной и что-либо увидеть в ней невозможно. Чтобы убедиться будет ли проявляться динамическое запирание при постепенном сужении, и визуализировать процессы в переходной зоне был взят 700 микронный цилиндрический канал с плавным сужением диаметра 40 мкм. Микроканал с сужением можно охарактеризовать длиной узкой части 400 мкм, на которой отклонение от минимального диаметра не более 10% (в обе стороны).

В экспериментах использовалась эмульсия, приготовление которой производилось с использованием механической мешалки. Состав эмульсии: дизтопливо (зимнее) - 21%, SPAN80 - 4%, водный раствор 0.1 М (5.85 г в 1 л) NaCl в дист. воде - 75%. Время перемешивания 30 мин при 400 об/мин, в течение первых 10 мин вливается раствор NaCl. Компоненты эмульсии профильтровывались через фильтр Millipore 0.22 мкм, кроме SPAN80, фильтрация которого была затруднена из-за его большой вязкости. Чистка SPAN80 проводилась с помощью центрифугирования. Перемешивание компонентов проводилось в ламинарном шкафу, там же заполнялись эмульсией одноразовые шприцы, в качестве соединительных трубок использовались трубки от свежевскрытых систем для внутривенного вливания.

Реологические свойства эмульсии изучались на реометре HAAKE MARS III с системой двойной конус и с хорошей степенью достоверности аппроксимируются моделью жидкости Оствальда-де-Вааля т = kyn, для данной эмульсии получили зависимость т=1.85 Y0 53.

Схема эксперимента и система регистрации аналогичны работе [3]. Эмульсия по подводящим трубкам подавалась в капилляр с сужением при перепаде давления 50 кПа в течение 41 минуты, далее давление увеличили до 100 кПа. Структура изменения течения в сужении наблюдалась через

стереомикроскоп Zeiss Stemi 2000-C и записывалась цифровой видеокамерой.

Полученная зависимость объема протекшей эмульсии от времени приведена на рис. 1, расходные характеристики соответствуют тангенсу угла наклона кривой [4]. Поскольку вес считывался каждую секунду, на рисунке экспериментальный график выглядит сплошной линией. Большой расход эмульсии в течение первых 200 с (Q = 1.94 мкл/с) обусловлен выделившейся углеводородной фазой.

Наблюдения, проводимые под микроскопом, обнаружили на 2265 секунде ворсинку, застрявшую в сужении (рис. 2, кадр 2), однако заметные изменения в расходных характеристиках не обнаруживается как на рис. 1, так и по показаниям весов. В течение 3 мин картина течения не менялась и объемный расход оставался прежним. Увеличение давления на входе до 100 кПа (рис. 2, кадр 3), привело к деформации ворсинки, она загнулась, кратковременно расход увеличился вдвое (рис. 2, на графике справа Q = 0.64 мкл/с и Q = 1.19 мкл/с). Далее с течением времени расход начал заметно уменьшаться (Q = 0.96 мкл/с). Скорость течения снизилась в 6 раз с 960 мм/с до 160 мм/с (рис. 2, кадр 4), но, к сожалению, каких-либо структурных изменений заметить не удалось, кроме некоторого уплотнения после ворсинки. Начиная с 4220 секунды (рис. 2, кадр 5) после прохождения сужения структура течения заметно изменилась, по всей видимости, на рыхлом скоплении у входа в сужение произошло динамическое запирание, расход уменьшился в 600 раз. В дальнейшем расход уменьшается (рис. 2, кадр 6) в 2500 раз по сравнению с кадром 4, картина течения практически та же.

С той же эмульсией и с тем же капилляром с сужением был проведен повторный эксперимент, но с вдвое большим начальным перепадом давления. Полученная зависимость объема протекшей эмульсии от времени приведена на рис. 3. Величина расхода возросла почти в 4 раза при удвоении перепада давления, что объясняется неньютоновскими свойствами дисперсии.

Q=0,65 h і h

г У

Ai С- і

#Q=1,9 4

1920

1900

=;

7 1880

S

iS I860

0

1840

1820

= 0,96

Q = 1,19

Q = 0,64^2^

Ш

■ 100 кПл л. 200 кПл

Время, с Бремя, с

Рис. 1. Зависимость объема протекшей эмульсии от времени в капилляре с сужением 43 мкм при ступенчатом изменении перепада давления. Цифры в квадратах соответствуют кадрам, приведенным на рис. 2. Справа приведен график в увеличенном масштабе.

3110 с (у=160 мм/с) 4220 (1600 мкм/с) 7180 с (360 мкм/с)

Рис. 2. Кадры изменения структуры течения эмульсии в капилляре с сужением 40 мкм, под кадрами время от начала движения.

Рис. 3. Зависимость объема протекшей эмульсии от времени в капилляре с сужением 43 мкм при ступенчатом изменении перепада давления (100, 200 кПа). Цифры в квадратах соответствуют кадрам, приведенным на рис. 4. Справа приведен график в увеличенном масштабе.

Действительно, в первом эксперименте (рис. 1) при расходе Q=0,6 мкл/с, скорость у=0.41 м/с,

У=1.9-104 с-1, вязкость, исходя из аппроксимации, полученной при реологических измерениях

т=1.85 у 0,я, будет ^=18 мПа-с, во втором эксперименте (рис. 3) при Q=2.5 мкл/с, скорость у=1.71 м/с,

У = 8-104 с-1, вязкость - ^=9.2 мПа-с, т.е. при увеличении скорости в 4 раза эффективная вязкость уменьшается в 2 раза, это объясняет полученное увеличении скорости в 4 раза при удвоении давления.

На 132 с (рис. 4 кадр 2) в сужении застревает твердая частица, это приводит к снижению расхода на 40%, через 15с происходит резкое снижение расхода в 15 раз (рис. 3, справа, 147 секунда).

После 300с по показаниям весов расход становится нулевым. Скорости в узкой части сужения, соответствующие значениям объемного расхода, приведенным на рис. 3 равны 1.71 м/с; 1.01 м/с и

0.067 м/с, по показаниям весов она снизилась в 25 раз (рис. 4, кадр 3). На 4 кадре рис.4 видно образовавшиеся «четочные» структуры, обычно сопутст-

вующие динамическому запиранию в 100микронном капилляре, скорость течения в сужении уменьшилась в 7000 раз. При увеличении давления до 200 кПа на 450 с (рис. 4, кадр 5), на видеозаписи обнаруживается кратковременное увеличение скорости в 6 раз. Через 8с скорость движения при перепаде давления 200 кПа снизилась до той же величины, какой была при перепаде 100 кПа (рис. 4, кадр 6). Это связано с уплотненной эмульсионной структурой вокруг частички.

Таким образом, несмотря на использование ламинарного шкафа, предварительно отфильтрованных компонент, стерильных соединительных трубок избавиться от механических включений, сопоставимых с размером пор, не удалось. Такие включения, хоть и единичные и несущественно перекрывают микроканал (в случае ворсинки расход практически не изменился, в случае частицы уменьшился на 40%) кардинально влияют на изменение структуры течения эмульсии и приводят к динамическому запиранию. Следует отметить одно из различий при течении эмульсии через капилляр и капиллярное сужение: при ступенчатом изменении давления через капилляр возобновляется течение, через сужение нет.

445 с (у=230 мкм/с) 450 с (\=1350 икм/с) 458 с (\ =230 мкм/с)

Рис. 4. Кадры изменения структуры течения эмульсии в капилляре с сужением 40 мкм, под кадрами время

от начала движения.

Изучение течения эмульсий в микроканалах с переменным сечением и их использование в экспериментах с цилиндрическими капиллярами показало большую роль микровключений. Для исключения влияния механических примесей, сопоставимых по размеру с диаметром капилляра, на процесс динамического запирания, эмульсию, полученную из фильтрованных компонентов, дополнительно пропустили через 3 последовательно закрепленные сетки с размерами ячеек не более 40 мкм, используемые в инфузионных системах для внутривенного вливания.

Эмульсия использовалась следующего состава: дизтопливо (зимнее) - 39.6% (профильтровали через фильтр МННроге 0.22 мкм); раствор хлорида натрия (26 г соли на 100 мл дистиллированной воды) - 59.4% (в магнитной мешалке мешали более 10 часов, отфильтровали через вату и далее через фильтр МННроге 0.22 мкм); эмульгатор СЭТ-1 - 1% (профильтрован через фильтровальную бумагу 2.7 мкм). Через сетчатые фильтры эмульсия поступала в шприц, из него проводилось заполнение подводящих трубок.

Реологические свойства данной эмульсии, как и предыдущей, с хорошей достоверностью аппроксимируются моделью Оствальда-де-Вааля. Для прямого хода получили зависимость

т=0.3098 у05584 [Па]; при этом вязкость п=0.0405 Па- с для у = 100 с-1. Для дополнительно фильтрованной эмульсии т=0.7056 у115006 [Па], п=0.0708

Па- с для у = 100 с-1. Дополнительная фильтрация эмульсии через сетчатые фильтры привела к увеличению вязкости, практически в 2 раза, что, по всей видимости, обусловлено дроблением капель при продавливании эмульсии через 3 слоя сеток.

Решили провести эксперимент по схеме, избавляющей эмульсию от наличия возможных включений более 40 мкм. Профильтрованная эмульсия через подводящую полиэтиленовую трубку (рис. 5, а) подается в 700 микронный цилиндрический канал с плавным сужением диаметра 40

мкм. После прохождения через капилляр переменного сечения эмульсия собирается в соединительной полиэтиленовой трубке, которая в такой же последовательности соединена с цилиндрическим капилляром (внешний диаметр 1.5 мм, внутренний - 100 мкм, длина 2 см). После того как в полиэтиленовой трубке накапливается достаточное количество эмульсии, прошедшей через капилляр переменного сечения, он убирается и «чистая» эмульсия под давлением подается на вход цилиндрического 100-микронного капилляра (рис. 5, б). Таким образом, мы можем утверждать, что в капилляр будет подаваться эмульсия, присутствующие частицы в которой имеют наибольший размер в сечении менее 40 мкм.

Эмульсия (по схеме рис. 5, а) проходила через сужение 40 мкм и собиралась у входа капилляра диаметром 100 мкм. В течение часа набралось 1.8 мл эмульсии, дополнительная фильтрация существенно изменила влияние включений. Тем не менее, в конце первого часа образовалась некоторая структура, на которой произошло запирание. Далее (по схеме рис. 5, б), прошедшую через сужение 40 мкм «чистую» эмульсию, начали прокачивать при перепаде давления 100 кПа через цилиндрический капилляр (рис. 6).

Из графика (рис. 6) Q=0,6 мкл/с, скорость у=76

мм/с, у = 1.5-103 с-1, вязкость - ^=18.2 мПа-с. Предположительно, в этой эмульсии никаких включений размером более 40 мкм не может быть. Эмульсия, протекающая через микроканал, по прохождении 450 с переходит в состояние динамического запирания. При подаче перепада давления 200 кПа, течение возобновляется практически с удвоенной скоростью и достаточно быстро останавливается. Подача давления 300 кПа никаких изменений не вызывает. Соответствующие графику кадры приведены на рис. 7. Можно отметить, что «четочная» структура проявилась спустя небольшое время после подачи 200 кПа (рис. 7, кадр 3).

Рис. 5. Схема движения (слева-направо) по подводящим трубкам (1): а - эмульсии через капилляр с переменным сечением

(2), б - «чистой» эмульсии через цилидрический капилляр (3).

Время, с

Рис. 6. Зависимость объема от времени протекшей через сужение эмульсии при течении в капилляре длиной 2 см диаметром 100 мкм при ступенчатом изменении перепада давления. Цифры в квадратах соответствуют кадрам, приведенным на рис. 7.

600 с 779 с (1 с до подачи 200 кПа) 120 с после подачи 200 кПа

Рис. 7. Кадры изменения структуры течения эмульсии в капилляре диаметром 100 мкм, под кадрами время от начала движения.

При течении «чистой» эмульсии через плавное сужение диаметром 80 мкм эффект динамического запирания в течение длительного времени не проявлялся. Наличие небольших волокнистых либо других образований, которые застревают в сужении не приводят к значительным изменениями расхода. Однако скопление на них имеющихся, даже в профильтрованной эмульсии, мелких образований приводит к формированию твердой структуры, которая гидродинамически «прозрачна», на ней происходит формирование структуры из микрокапель, приводящие к запиранию эмульсии.

Заключение В результате проведенных экспериментов с эмульсией из отфильтрованных компонентов, с

дополнительной фильтрацией самой эмульсии и протеканием через сужения можно отметить:

1. При течении эмульсий через капилляр переменного сечения обнаружен эффект динамического запирания, который заключается в том, что скорость течения со временем замедляется на несколько порядков, несмотря на постоянно действующий перепад давления.

2. Наблюдающийся эффект запирания в капиллярах переменного сечения часто сопровождается появлением рыхлой или твердой частицы, застревающей в узкой части капилляра.

3. При течении отфильтрованной эмульсии в капилляре 100 мкм с размером включений менее 40 мкм также наблюдается эффект динамического

запирания. Не исключается, что включения даже меньшего размера по сравнению с диаметром капилляра способствуют наступлению динамического запирания.

4. Эмульсии являются неньютоновскими жидкостями, реология которых хорошо описывается в рамках степенной модели Оствальда-де-Вааля, дополнительная фильтрация эмульсии приводит к увеличению ее вязкости.

ЛИТЕРАТУРА

1. Akhmetov A., Telin A., Glukhov V., Mavletov M.. Flow of Emulsion through Slot and Pore Structures. Advances in Incremental Petroleum Production // Progress in Mining and Oil-

field Chemistry. Vol. 5. Akademiai Kiado. Budapest. 2003. P.

287-295.

2. Akhmetov, A.T., Telin, A.G., Mavletov, M.V., Sametov, S.P., Silin, M.J., 2006, "Flow of Invert Water-Oil Dispersions in Capillaries," International Conference. Fluxes and Structures in Fluids, Moscow, Institute for Problems in Mechanics of the RAS and Lomonosov Moscow State University, pp.16-21.

3. Akhmetov, A., Mavletov, M., Rakhimov, A., Sametov, S., Akhatov, I.S., 2011, “Water-hydrocarbon emulsion flow in microchannels,” Proceedings of ASME 2011 International Mechanical Engineering Congress & Exposition, IMECE2011, Denver, Colorado, USA, November 11-17, 8 p.

4. Alfir T. Akhmetov, Marat V. Mavletov, Sergey P. Sametov, Artur A. Rakhimov, Azat A. Valiev, Iskander S. Akhatov. Dispersion Flow In Microchannels // Proceedings of ASME 2012 International Mechanical Engineering Congress & Exposition. IMECE2012. 2012, Houston. 8 p.

Поступила в редакцию 06.03.2013 г.