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Ver el documento (formato PDF)   Obernauer, Silvia.  "Inestabilidades entre fluídos miscibles en medios porosos"  (1999)
Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires
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Resumen:
En este trabajo se presenta un estudio experimental de desplazamientos de fluidos 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 la interfase entre dos soluciones de una única especie difusíva cuando la solución más concentrada se ubica sobre la menos concentrada (inestabilidad de Rayleigh-Taylor). Esta inestabilidad se estudia en forma preliminar para una interfase sin condiciones de flujo y se complementa el estudio en desplazamientos dentro de una celda de Hele-Shaw colocada en forma horizontal. Se inyecta colorante que empuja agua pura y se observan con el tiempo la aparición de estrías paralelas a la dirección del flujo detrás del frente de avance. Los resultados experimentales son interpretados en términos de una inestabilidad gravitatoria debido a gradientes verticales de concentración del colorante inyectado inducidos por el perfil de velocidades del flujo. Dicho perfil, en el espesor de la celda, crea un gradiente de concentración que puede ser modelado como una estructura de tres capas. Si bien los experimentos muestran que la longitud de onda caracteristica de la estructura es del orden del espesor de la celda, se encuentra además una dependencia con el aumento de contraste de densidades entre ambos fluidos en acuerdo con modelos teóricos. Se encuentra experimentalmente que la periodicidad media es independiente del caudal es decir que es independiente de la velocidad de la interfase. Se estudia también el tiempo de aparición de estas inestabilidades en función del caudal de inyección, de la concentración del colorante y de la inclinación de la celda. En la segunda parte de esta Tesis se presenta el estudio de desplazamientos de fluidos donde uno de los mismos es una solución polimérica (soluciones de Xanthano) con un comportamiento tipo reofluidizante. Los desplazamientos son siempre horizontales y la inestabilidad aparece cuando el fluido menos viscoso empuja al más viscoso (inestabilidad de Saffman-Taylor). En primer término se analizan experiencias en donde el agua coloreada empuja soluciones poliméricas dentro de un medio poroso rectangular cuasi bidimensional consistente en empaquetamientos de microesferas de vidrio. Se encuentra una rica variedad de estmcturas al variar el caudal, la concentración del polímero y el tamaño de microesferas. Para altas concentraciones de polímero las mismas son del tipo fractal. A partir de la medición de la dimensión fractal en bandas a lo largo de la estructura se logra evidenciar propiedades de multiscaling. De la observación del crecimiento de los dedos individuales que aparecen encontramos dos tipos de comportamientos dinámicos. En segundo término se estudian desplazamiento con la misma solución polimérica pero en celdas de Hele-Shaw con inyección radial. En este caso la viscosidad del segundo fluido, de comportamiento Newtoniano, se elige de un valor intermedio entre las viscosidades del polímero a altas y bajas velocidades de corte. Se observa en cada experiencia una transición de un desplazamiento estable a inestable cuando la velocidad media del frente se vuelve menor que un valor crítico. Se investiga la dependencia de la velocidad critica con la viscosidad del fluido Newtoniano y con el caudal. La velocidad crítica es comparada con la velocidad donde la viscosidad de ambos fluidos es la misma si se desplazaran en forma independiente.

Abstract:
An experimental study of miscible fluid displacement inside porous media and Hele-Shaw cell employing Newtonian and non-Newtonian fluids is reported in this work. This miscible displacement process was studied by means of visualization techniques. The first part is concerned with the study of the instability that appears at the interface between two miscible solutions of a single diffusing species when the higher concentration solution is placed over the lower one (Rayleigh-Taylor instability). We have studied this instability in a preliminary way in a no flowing front. We completed the study with investigations of displacements where dye pushes pure water inside an horizontal Hele-Shaw cell. After a certain time striations parallel to the flow are observed near the displacement front. Experimental results suggest an interpretation in terms of the gravitational instability due to the vertical dye concentration gradients induced by the flow profile between the cell plates. The velocity profile in the cell thickness creates a gradient of concentration that can be modeled as a three-layer structure. Experiments show that the mean wavelength is of the order of magnitude of the cell thickness. This characteristic length is found to depend on the density contrast between both fluids in agreement with theoretical expectations. We found experimentally that the mean periodicity is independent of the flow rate and therefore independent of the interface velocity. We have also studied the onset time of these instabilities 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 displacements where one of the fluid is a polymeric solution (Xanthan solutions) with a shear-thinning behavior. The displacements are always horizontal and the instability appears when the less viscous fluid pushes the more viscous one (Saffman-Taylor instability). We analyze experiments where water pushes polymeric solution inside a rectangular pseudo-bidimensional porous media consisting of glass spheres packing. Experiments were performed with porous media with two different grain size and varying the polymer concentration and the flow rate. A rich variety of patterns were found. At high polymer concentration a fractal behavior was observed. The fractal dimension was measured on bands along the structure in order to verify experimentally the multiscaling properties. From the observation of the finger evolution in time we have found two different dynamic behaviors. We also studied displacements with the same polymeric solution in a 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 asymptotic apparent viscosities of the polymeric solutions. A crossover from a stable displacement to an unstable situation displaying viscous fingering patterns is observed, as the mean front velocity becomes lower than a critical value. The dependence of this critical velocity on Newtonian fluid viscosity and the injection rate is investigated. The experimental critical velocity is compared with the velocity at which the viscosity of both fluids is the same.

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Registro:
Título : Inestabilidades entre fluídos miscibles en medios porosos     =    Instabilities between miscible fluids in porous media
Autor : Obernauer, Silvia
Director : Rosen, Marta
Año : 1999
Editor : Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires
Filiación : Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales
Facultad de Ingeniería. Departamento de Física. Grupo de Medios Porosos
Grado obtenido : Doctor en Ciencias Físicas
Ubicación : Preservación - http://digital.bl.fcen.uba.ar/gsdl-282/cgi-bin/library.cgi?a=d&c=tesis&d=Tesis_3216_Obernauer
Idioma : Español
Area Temática : Física / Física de Fluidos
Palabras claves : 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
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