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Ver el documento (formato PDF)   D’Onofrio, Alejandro.  "Dispersión de trazadores en flujos de soluciones poliméricas en medios porosos"  (2000)
Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires
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Resumen:
En este trabajo se presenta el estudio de las propiedades de transporte a través de un medio poroso de un trazador salino diluido en una solución de polímero. Los medios porosos son fabricados a partir de microesferas de vidrio y pueden ser de simple o doble porosidad. El objetivo del trabajo es utilizar las caracteristicas reofluidizantes de las soluciones de polímero para aumentar la influencia de las heterogeneidades del medio poroso sobre el campo de velocidades de flujo y reforzar el contraste entre las zonas de alta y baja velocidad en el medio. Los experimentos consisten en la inyección de una solución salina de NaNO3 en el medio. La concentración de polímero permanece constante durante los mismos. En la entrada del medio se induce una variación abrupta de concentración de sal. A la salida del mismo se obtienen las curvas de dispersión (variación de la concentración de sal en función del tiempo) por medio de medidas conductimétricas. El análisis de las curvas se realiza por medio de ajustes con modelos teóricos (en ciertos casos mediante la evaluación directa del ancho del frente) para determinar un coeficiente de dispersión (la dispersividad es igual a la relación entre el coeficiente de dispersión y la velocidad media del flujo). Los experimentos han sido realizados tanto con la técnica clásica de “transmisión”, donde se deja que el frente de variación de concentración atraviese completamente la muestra, como con la técnica de “eco” en la cual se invierte la velocidad de flujo antes que el frente de variación de concentración llegue a la salida del medio y en ese caso se detecta la variación de concentración en la entrada de la muestra porosa. Esta ultima técnica nos provee información complementaria sobre la presencia eventual de heterogeneidades a gran escala (zonas estratificadas o canales de diferente permeabilidad) donde la contribución al aumento de la dispersividad es particularmente reversible en relación al cambio de la dirección del flujo. En este trabajo fueron usadas soluciones reofluidizantes de un polisacárido neutro (escleroglucano) de diferentes concentraciones: el exponente característico del decrecimiento de la viscosidad con la velocidad de deformación varió entre 0.4 y 0.8 en el rango donde la variación puede ser aproximada por una ley de potencia. Las medidas de esfuerzos normales muestran que estas soluciones son muy poco elásticas. Los medios porosos de simple porosidad utilizados están formados por empaquetamientos dc esferas de vidrio de un diámetro típico de l mm. Los medios de doble porosidad están formados por granos porosos de diámetro dg= 500 μm y de porosidad 30% que se obtiene por medio del sinterizado de esferas de vidrio de diámetro 110 μm (los blocs sinterizados son partidos y tamizados para obtener el grano poroso). Debido al pequeño contrataste de densidad asociado a la presencia del trazador, podemos observar inestabilidades inducidas por la gravedad según el sentido del contraste de densidad entre el fluido inyectado y desplazado (el flujo es dirigido hacia arriba). Las medidas de dispersividad, realizadas con las soluciones Newtonianas, confirman la existencia de un aumento mucho mas fuerte de la dispersividad con el numero de Péclet, para medios de doble porosidad que para los de simple. Esto se observa para Pe del orden de 10 (el numero de Péclet Pe = Udg/Dm caracteriza la relación entre los efectos de la convección y la difusión molecular). Este aumento es debido a la transición entre los regímenes de transporte convectivo y difusivo en el interior de los granos y al hecho que a velocidades elevadas, donde el transporte convectivo es dominante, el contraste de velocidad entre el interior y el exterior de los granos aumenta la dispersión en relación al los medios de simple porosidad. Esta característica de aumento neto de la dispersividad con el número de Péclet son globalmente conservadas para los medios de doble porosidad que hemos utilizado con soluciones poliméricas (siempre en el caso de configuración de desplazamiento estable). Para las soluciones de polímero, el resultado mas marcado es el hecho que, a un numero de Péclet dado, observamos un aumento neto de la dispersividad con la concentración de polímero (es decir con el exponente característico n de la variación de la viscosidad). Este resultado es atribuido a las características reofluidizantes de la solución que incrementa el contraste entre los caminos de alta y baja velocidad que pudieran encontrarse dentro de un medio poroso. El aumento es particularmente importante a números de Péclet intermedios (del orden de algunas decenas) y, en este dominio de velocidades, las curvas de dispersión se apartan notablemente de las predicciones clásicas de la ecuación de convección - difusión Gaussiana. Observamos un arribo anticipado del frente de variación de concentración - índice de la presencia posible de caminos de flujo preferencial en el interior del medio -. Una primer explicación natural es pensar en un aumento del contraste de velocidad entre el interior y exterior de los granos debido a las soluciones de polímero. Este aumento debería, sin embargo, en este caso ser particularmente fuerte a números de Péclet muy elevados lo cual no se observa experimentalmente. Por otra parte, este aumento significativo de la dispersividad se observa igualmente en los medios de doble porosidad y simple porosidad. Una hipótesis complementaria es la presencia de heterogeneidades a gran escala (canales preferenciales, estratificación, capas sobre las paredes ...) pero corresponden a contrastes relativamente débiles de permeabilidad. La influencia de las mismas pueden ser considerablemente amplificadas por las soluciones reofluidizantes. Esta hipótesis a sido evaluada comparando los resultados de las mediciones de dispersión en transmisión y eco: la dispersividad medida con esta ultima técnica puede en efecto ser reducida por la reversibilidad parcial del escalamiento del frente de concentraciones asociado a presencia de heterogeneidades a gran escala. Hemos efectivamente observado una reversibilidad parcial neta de la dispersión para las soluciones de polímero mas concentradas (η = 0.6) y mas débil para las menos concentradas (η = 0.4) y despreciable para las soluciones newtonianas. Estos resultados tienden a confirmar la influencia - al menos parcial - de grandes heterogeneidades. Ello indica igualmente que un aumento considerable de la sensibilidad de las medidas de dispersión a la presencia de heterogeneidades débiles pudo ser obtenida utilizando soluciones reofluidizantes en lugar de fluidos newtonianos elegidos en primer lugar para el transporte del trazador. Los electos de inestabilidad inducidos por gravedad en las configuraciones de flujo gravitacionalmente inestable son, sobre todo, importantes cuando las velocidades del flujo son bajas y los poros de gran tamaño. Para las soluciones newtonianas las inestabilidades no son observables para números de Péclet superiores a 200: las variaciones de concentración verifican la ecuación de convección - difusión clásica (curvas de dispersión Gaussiana) y el coefieiente de dispersión medido es el mismo en la configuración estable e inestable de desplazamiento de los fluídos. Para los números de Péclet entre 50 y 200, las curvas poseen forma Gaussiana pero la dispersividad es superior en el caso inestable. Para números de Péclet inferiores a 50, las curvas de dispersión se apartan sensiblemente de la solución de la ecuación de convección - difusión . Para los fluídos newtonianos (agua y solución de glicerol de viscosidad 7x10ˉ³ Pa.s), los valores de dispersividad dependen únicamente del número de Péclet tanto en el caso estable como en el caso inestable. Para los experimentos realizados con las soluciones de polímero reofluidizante, las inestabilidades aparecen para un número de Péclet mas bajo que para las soluciones newtonianas. La diferencia es mas notoria cuando el exponente característico de la viscosidad es mas elevado. Este resultado indica que el parámetro dominante que controla la aparición de las inestabilidades es la viscosidad de los fluídos y no la difusión molecular (esta posee el mismo valor para las soluciones poliméricas que para el agua, mientras que la viscosidad aumenta). Ha sido posible definir un criterio de aparición de las inestabilidades a partir del parámetro G que representa la relación entre los gradientes de presión de origen hidrostático y viscoso (en el caso de soluciones reofluidizantes, el termino de viscosidad es calculado a partir del valor de la viscosidad efectiva en el medio poroso, valor deducido de medidas de gradientes de presión en función del caudal). Hemos encontrado un valor único critico Gc que caracteriza la apararon de las inestabilidades para diferentes soluciones Newtonianas y no-Newtoniana utilizadas en nuestros experimentos.

Abstract:
In this work the study of the transport properties of a saline tracer diluted in a polymer solution through a porous medium is presented. The porous media are manufactured with glass micro-spheres and they can be of simple or double porosity. The aim of this work is to use the characteristic non-newtonian of the shear thinning polymer solution to increase the influence of the heterogeneities of the porous media on the flow velocity field, and to reinforce the contrast between the high and the low velocity zones in the media. The experiments consist of the injection of a saline solution of NaNO3 in the media. The polymer concentration remains constant during the experiences. At the inlet of the sample an abrupt variation of the salt concentration is induced. At the outlet of the sample the dispersion curves are obtained (variation of the salt concentration as a function of the time) by conductimetric measures. The analysis of the curves is carried out by means of adjustments with theoretical models (in certain cases by means of the direct evaluations of the Width of the front) to determine a dispersion coefficient (The dispersivity is the ratio between the dispersion coefficient and the flow velocity average). The experiments have been carried out whith the classic "transmission" technique, where the concentration variation front is allowed to cross the sample completely, and with the " echo " technique in which the flow velocity is inverted before the front of concentration variation arrives at the exit of the media, and in that case the concentration variation is detected at the inlet of the porous sample. The last technique provides us complementary information on the eventual presence of heterogeneities on a great scale (stratified areas or channels with different permeability) where the contribution to the increase of the dispersivity is particularly reversible in relation to the change of the flow direction. In this work shear thinning solutions of a neuter polysaccharide (escleroglucano) with different concentrations were used: the characteristic exponent of the viscosity decay with the deformation velocity varied between 0.4 and 0.8 in the range where the variation can be approached by a power law. The measures of normal efforts show that these solutions are not greatly elastic. The simple porosity media used are formed by packagings of glass spheres with a typical diameter of l mm. The double porosity media are formed by porous grains with diameter dg = 500 mm and with porosity 30% that one obtains by grinding sintered glass spheres with diameter 11O mm (the sintered blocks are left and sifted to obtain the porous grain). due to the small density contrast associated with the presence of the saline tracer, we can observe instability induced by the gravity according to the sense of the density contrast between the injected fluid and the displaced fluid (the flow is directed up). The dispersivity measures carried out with the Newtonian solutions, confirm that the increase of the dispersivity with the Péclet number for double porosity media is stronger than for those of simple porosity. This is observed for Pe of the order of 10 (the Péclet number, (Pe = Udg/Dm). this Pe characterises the ratio between the convection effects and the molecular diffusion effects). This increase is due to the transition between the convective transport and diffusive transport inside the grains and to the fact that high velocities, where the convective transport is dominant, the velocity contrast between the inside and the outside of the grains increases the dispersion in relation to the simple porosity media. This Characteristic, the net dispersivity increase with the Péclet number is globally conserved for the double porosity media that we have used (always in the stable displacement cases). The result, for polymer solutions, remarked the fact that, to a given Péclet number, we observe an increase of the dispersivity with the polymer concentration (with the characteristic exponent "n" ofthe viscosity variation). This result is attributed to the shear thinning character of the solution that increases the contrast between the high velocity and low velocity paths inside the porous media. The increase is particularly important to Péclet numbers of the order of dozens, and in this velocity domain the dispersion curves move notably away from the classic predictions of the convection-diffusion equation. We observe a premature arrival of the concentration variation front, index of the possible presence of preferential paths flow in the media. We find a first natural explanation in the increase of the velocity contrast between the inlet and the outlet of the grains due to the polymer solutions. This increase, however, would have been particularly strong to a high Péclet number that which is not observed experimentally. On other hand. this significant dispersivity increase is observed equally in the double and simple porosity media. A complementary hypothesis is the presence of heterogeneities on a great scale (preferential channels, stratification, layers on the walls...) but they correspond to relatively weak permeability contrast. The influence of the same ones can be amplified considerably by the shear thinning solutions. This hypothesis had been evaluated comparing the results of the dispersion measurements in transmission and echo: the dispersivity measured with the echo technique can be reduced by the partial reversibility of the scaling from the concentration front associated with the heterogeneities presence on a great scale. We have observed net partial dispersion reversibility indeed for the polymer solution more concentrated (n=0.6) and weak for the less concentrated ones (n=0.4) and worthless for the newtonian solutions. These results confirm -at least partially- big heterogeneities. It indicates that a considerable sensibility increase of the dispersion measures is due to the presence of weak heterogeneities that are observed using shear thinning solutions. The instabilities driven by gravity effects in the flow configurations are mainly important to a low flow velocity and for great pore size. For the newtonian solutions the unstable effects are not observable for Péclet numbers superior to 200: the concentration variation verifies the classic convection-diffusion equation (gaussian form ofthe curves) and the dispersion coefficient measured is the same for unstable and stable configuration of the fluid displacement. For Péclet numbers between 50 and 200, the curves have a gaussian form but the dispersivity is superior in the unstable cases. For Péclet numbers inferior to 50, the dispersion curves move sensibly away from the gaussian form. For newtonian fluid (glicerol solution in water with viscosity 0.007 Pas), the dispersivity values depend only on the Péclet number as much in the stable case as the unstable case. For the experiment carried out with shear thinning polymer solution, the instabilities appear for a Péclet number lower than the newtonian case. The difference is more notorious in high values of the characteristic exponent "n" of the polymeric solutions. This result indicates that the dominant control parameter of the appearance of the instabilities is the fluid viscosity and not the molecular diffusion. It has been possible to define an approach of appearance of the instabilities starting from the parameter G that represents the ratio among the gradients of hydrostatic pressure and the viscous pressure (in the case of shear thinning fluid, the viscosity is calculated starting from the effective viscosity value in the porous media, deduced from the pressure gradients measurements as a function of the flow). We have found a unique value of G that characterizes the appearance of instabilities as much for newtonian as non-newtonian fluids used in our experiences.

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Registro:
Título : Dispersión de trazadores en flujos de soluciones poliméricas en medios porosos    
Autor : D’Onofrio, Alejandro
Director : Rosen, Marta
Allain, Catherine
Hulin, Jean Pierre
Año : 2000
Editor : Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires
Filiación : Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales
Departamento de Física
Facultad de Ingeniería. Departamento de Física. Grupo de Medios Porosos
Universidad de Paris Sud. Laboratoire Fluides Automatique et Systemes Thermiques (F.A.S.T.)
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_3278_DOnofrio
Idioma : Español
Area Temática : 
Palabras claves : POLIMEROS; INESTABILIDAD DE GRAVEDAD; DISPERSION; MEDIOS POROSOS; FLUIDOS NO-NEWTONIANOS; POLYMER; GRAVITY INESTABILITIES; DISPERSION; POROUS MEDIA; NON-NEWTONIAN FLUIDS
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