Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Дисперсные системы и их гидродинамические свойства 14
1.1. Характеристика и классификация дисперсных систем 15
1.2. Реология неньютоновских сред 23
1.2.1. Вязкопластичные среды 25
1.2.2. Псевдопластичные среды 26
1.2.3. Дилатантные жидкости 26
1.2.4. Реологические модели нелинейно-вязких сред 27
1.3. Общие представления об эмульсиях 30
1.4. Теоретические модели вязкости дисперсных систем и сравнение с экспериментом 31
1.5. Экспериментальное определение реологических свойств 34
1.6. Течение суспензии в микроканалах 36
1.7. Реологические параметры водоуглеводородных эмульсий различных по дисперсному составу и концентрации 38
1.8. Тестирование простейших эмульгаторов с дистиллированной водой и гексаном на образование обратных эмульсий 40
1.9. Выводы по проделанным экспериментальным работам 42
Глава 2. Течение эмульсии в цилиндрическом микроканале и объёмной пористой структуре 44
2.1. Состав и способ приготовления эмульсий, методика эксперимента 44
2.2. Особенности течения в капилляре и реология эмульсий 47
2.3. Изучение течения в кернах 53
2.4. Течение эмульсий через цилиндрический микроканал с плавным сужением, изучение влияния механических включений 57
2.5. Предполагаемый физический механизм запирания 67
2.6. Проверка гипотезы механизма запирания, методика и результаты эксперимента, выводы 70
Глава 3. Радиальное течение эмульсии в модели трещины ячейке Хили – Шоу 80
3.1. Особенности радиального течения 80
3.2. Экспериментальная установка 83
3.3. Реологические свойства водонефтяной дисперсии 86
3.4. Динамическое запирание при радиально-расширяющемся течении 90
3.5. Механические способы воздействия на запертую эмульсионную структуру 101
3.6. Влияние вращения пластины на состояние запирания 105
3.7. Сравнительный анализ проведенных экспериментов 107
3.8. Влияние УЗ воздействия на состояние запирания 108
3.9. Динамическое запирание при радиально-сходящемся течении 114
3.10. Микропотоки при радиально-расширяющемся и -сходящемся течениях эмульсии 120
3.11. Адаптации микромодели трещины и пористой структуры к условиям трещиноватых коллекторов нефти и газа 122
3.12. Изучение вытеснения нефтей и эмульсий водой при радиально-расширяющемся течении 126
Глава 4. Особенности течения биологической дисперсии – крови в цилиндрических микроканалах 134
4.1. Введение. Вязкость крови 134
4.2. Проведение эксперимента. Методы и материалы 136
4.3. Горизонтальное движение крови в капилляре с сужением 138
4.4. Горизонтальное движение крови в капилляре 100 мкм 139
4.5. Движение крови в вертикальном направлении 141
4.6. Заключение по течению крови в капиллярах 147
Глава 5. Микроканалы различной геометрии, изготовленные методами мягкой фотолитографии 149
5.1. Изготовление микроканала 149
5.2. Экспериментальное установка для движения жидкости в микроканалах, изготовленных методом мягкой фотолитографии 151
5.3. Проведение экспериментальных исследований 152
Заключение 172
Литература 174
- Реологические параметры водоуглеводородных эмульсий различных по дисперсному составу и концентрации
- Течение эмульсий через цилиндрический микроканал с плавным сужением, изучение влияния механических включений
- Влияние УЗ воздействия на состояние запирания
- Заключение по течению крови в капиллярах
Введение к работе
Актуальность темы.
Микрогидродинамика (микрофлюидика) возникла с развитием
нанотехнологий в 1990-х годах, а последующая миниатюризация
технических устройств привела к её бурному развитию. Она
применяется для создания лабораторий-на-чипе (англ. lab-on-the-chip),
регулирования микропотоков и т. п. Для понимания законов
микрогидродинамики требуется хорошее знание микромира и его
влияния на макросвойства, а для этого необходимо углубленное изучение процессов в порах земных пород и в сосудистой системе живых организмов, что объясняет актуальность исследования.
Многие технологические и природные процессы связаны с
движением дисперсных систем, в частности, к ним относится течение
нефти и эмульсий в пористой среде. Высококонцентрированные
обратные водонефтяные эмульсии обладают гидродинамической
особенностью – высокой вязкостью, значительно превышающей
вязкость несущей фазы. При их течении в капиллярах и пористой
структуре проявляется эффект динамического запирания, который
заключается в том, что течение жидкости, несмотря на постоянно
действующий перепад давления, прекращается по показаниям
прецизионных электронных весов, измеряющих с точностью до 0,1 мг.
Детальное изучение структуры потока под микроскопом обнаруживает,
что на самом деле течение прекращается не полностью, а уменьшается
со временем более чем на 3 порядка, поэтому это явление было названо
эффектом динамического запирания. Наличие данного эффекта
объясняет успех применения водонефтяных эмульсий в
потокоотклоняющих технологиях, в качестве жидкостей для глушения скважин и буровых растворов с кольматационными свойствами, однако механизм проявления этого эффекта до сих пор оставался неизученным.
Развитие гидродинамики дисперсий в микроканалах требует
исследования различных типов течения и поведения микрокапель
дисперсной фазы в микромасштабе, интерпретации эффектов,
связанных с переходом от течения в трубках к течению в капиллярных системах. Микрогидродинамика биологической дисперсии – крови представляет особый интерес в связи с необходимостью детального исследования течения крови и её составляющих в человеческом организме для разработки препаратов и методов лечения людей с тяжелыми заболеваниями. Развитие этого направления в медицине требует экспериментальных исследований при гидродинамических условиях, приближенных к живым организмам.
Цели и задачи исследования.
Цель работы – экспериментальное исследование особенностей
течения и гидродинамических эффектов, возникающих при движении
эмульсий в различных типах микроканалов при постоянных перепадах
давления, исследование течения биологической дисперсии,
человеческой крови, в гидродинамических условиях, приближенных к живым организмам.
В соответствии с поставленной целью в работе решаются следующие задачи:
изучение особенностей течения обратных водоуглеводородных
эмульсий в различных типах микроканалов (радиальной модели течения
ячейки Хили-Шоу, стеклянных капиллярах, капиллярах с сужением,
кернах, системах микроканалов, изготовленных методом мягкой
фотолитографии) с целью обнаружения эффекта динамического
запирания и определения взаимного соответствия исследуемых
характеристик – свойства раствора и периода времени до проявления
эффекта динамического запирания;
экспериментальные исследования, направленные на выявление и
изучение способов, ускоряющих наступление эффекта динамического
запирания, и способов выведения эмульсий из этого состояния;
изучение движения биологической дисперсии – человеческой крови при течении в осесимметричном микроканале с различной ориентацией в гравитационном поле, а также при перепадах давления, соизмеримых с перепадами давления в человеческом организме;
экспериментальная проверка предложенной ранее гипотезы физического механизма динамического запирания эмульсиями микроканалов, объясняющая запирание эмульсий за счет «трения» между микрокаплями воды во входной зоне микроканала и их деформацией.
Научная новизна.
1. Установлено, что эффект динамического запирания
водоуглеводородных эмульсий, обнаруженный ранее только для осесимметричных течений, проявляется также и для радиальных течений, объёмной капиллярной структуры (керн), капилляров с плавными сужениями. Выявлены основные этапы перехода в состояние динамического запирания для радиального течения: формирование радиальных трубок тока; их искривление – хаотизация течения, сопровождающаяся уменьшением расхода эмульсии; конвульсивный процесс приостановления движения (предшествующий запиранию), характеризующийся формированием «эквипотенциальных» линий. Показано, что в состоянии запирания возникают микропотоки, движение которых происходит не по радиальным направлениям,
соответствующим течению подаваемой жидкости, а по каналам, случайно образовавшимся между неподвижными островками из капель.
-
Установлено, что эффект динамического запирания быстрее наступает для эмульсий с большей дисперсностью.
-
Показана существенная роль включений на возникновение эффекта динамического запирания: в капиллярах с плавным сужением динамическое запирание наблюдается только при наличии включений. Такие включения, хоть и единичные и несущественно перекрывают микроканал, кардинально влияют на изменение структуры течения эмульсии и приводят к динамическому запиранию.
-
Исследованы способы воздействия для вывода эмульсии из состояния запирания; механические воздействия (разрушение «запертой» структуры во входной зоне микроканала) приводят только к кратковременным восстановлениям движения; одним из способов воздействия на запертую эмульсионную структуру для выхода из состояния динамического запирания является действие сильных ультразвуковых полей, длительность воздействия прямо зависит от периода времени до наступления запирания. При длительном УЗ-воздействии эмульсия приходила в повторное состояние динамического запирания.
-
Показано различие в проявлении эффекта динамического запирания при течении крови через стеклянный капилляр при малых перепадах давления и при различной ориентации в гравитационном поле: при горизонтальном движении происходит динамическое запирание, сменяющееся возобновлением движения с разным расходом; при течении вертикально вниз со временем наступает довольно устойчивое динамическое запирание, а при течении крови вверх после наступления запирания седиментационные процессы приводят к возобновлению течения, и далее обнаруживается подобие автоколебательного режима.
-
Полученный в состоянии запирания результат увеличения скорости движения эмульсии в капилляре с уменьшением перепада давления и визуально наблюдаемые, с помощью высокоскоростной съёмки, деформированные капли во входной зоне микроканала, изготовленного методом мягкой фотолитографии, подтверждают роль деформации капель в механизме динамического запирания.
Достоверность результатов обеспечивается применением
современных измерительных средств, методик измерения и согласием с
доступными данными других авторов, независимыми литературными
данными, так и с существующими модельными представлениями.
Качество и надежность регистрации изучаемых явлений и
гидродинамических процессов были обусловлены тем, что она
выполнялась с высоким пространственным (до 0,2 мкм) и временным
разрешением (до 100 мкс). Проведённые измерения сопровождались
оценками их погрешности и установлением взаимного соответствия
(непротиворечивости) исследуемых характеристик, явлений и
параметров. Значительная часть исследований поддерживалась
многочисленными грантами, включающими как научную экспертизу на стадии подачи заявки, так и периодическую отчетность в процессе выполнения проекта, что является дополнительным подтверждением достоверности и актуальности работы. Результаты исследований не противоречат физическим законам и аналогичным результатам, полученным другими авторами.
Практическая значимость.
Эффект динамического запирания, обнаруженный для широкого класса течений водонефтяных эмульсий, и подтвержденная гипотеза механизма его возникновения, объясняющая запирание эмульсий за счет трения между микрокаплями воды и их деформацией, могут быть использованы для разработки новых принципов потокоотклоняющих технологий и глушения скважин, а также для подтверждения результатов методик по использованию кольматационных свойств эмульсий.
Выявленные в ходе экспериментальных исследований значительное
влияние высокой дисперсности эмульсии и (или) наличие включений, на
ускорение наступления эффекта динамического запирания, могут быть
использованы при разработке эмульсий, обладающих
кольматирующими свойствами.
Обнаруженное влияние сильного ультразвукового поля на углеводородные эмульсии в состоянии динамического запирания, приводящее к оперативному выходу из этого режима, (длительность воздействия прямо зависит от периода времени до наступления запирания) может быть использовано в технологиях раскольматации скважин.
Динамическое запирание крови дает новое представление о возникновении инфарктов и инсультов и может лечь в основу новых методик для лечения этих и других сосудистых заболеваний.
На защиту выносятся:
-
Результаты экспериментальных исследований течения эмульсий в радиальной модели ячейки Хили-Шоу, кернах, стеклянных капиллярах и микрожидкостных устройств, изготовленных методом мягкой фотолитографии.
-
Результаты, подтверждающие гипотезу о физическом механизме динамического запирания, связывающую этот эффект с деформацией капель.
3. Результаты исследования течения биологической дисперсии крови в цилиндрических микроканалах, при изменении ориентации микроканала в гравитационном поле.
Личный вклад.
Результаты, представленные в диссертации, получены лично автором, либо при его непосредственном участии. Автор диссертации участвовал в постановке задач, решаемых в диссертационной работе. Интерпретация полученных данных проведена автором совместно с научным руководителем и соавторами по публикациям.
Апробация работы.
Основные результаты, полученные в диссертационной работе,
докладывались на Международной уфимской зимней школе-
конференции по математике и физике для студентов, аспирантов и
молодых ученых; Научной конференции молодых ученых по механике
сплошных сред, посвященной 80-летию со дня рождения чл.-корр. АН
СССР А.А. Поздеева «Поздеевские чтения» в г.Перми (награжден
дипломом за лучшую научную работу); Всероссийском съезде
механиков в г.Нижнем Новгороде; VI региональной школе-конференции
для студентов, аспирантов и молодых ученых по математике, физике и
химии в Башкирском государственном университете. Уфа, 2006
(награжден дипломом I степени); Тринадцатой Всероссийской научной
конференции студентов-физиков и молодых ученых (награжден
дипломом за лучшую работу); Международной конференции «Потоки и
структуры в жидкостях: физика геосфер» Москва, 24-27 июня 2009 г.,
Международной конференции «Краевые задачи механики сплошных
сред и их приложения». Казань, 2010г; Международной школе-
конференция для студентов, аспирантов и молодых ученых
«Фундаментальная математика и ее приложения в естествознании».
Уфа, 2 – 6 октября 2011 (награжден дипломом I степени); X
Международной конференции молодых ученых «Актуальные вопросы
теплофизики и физической гидрогазодинамики». ИТ СО РАН,
Новосибирск, 2012г; V Российской конференции с международным
участием «Многофазные системы: теория и приложения». Уфа, 2012 г;
Международной школе-конференции для студентов, аспирантов и
молодых ученых "Фундаментальная математика и ее приложения в
естествознании". БашГУ, Уфа, 2012 г. (награжден дипломом I степени за
лучший доклад).
Совместно с коллегами было подготовлено 6 отчётов по договорам.
Публикации.
Материалы диссертации опубликованы в 43 работах, из них 5 научных статей в журналах, рекомендованных ВАК. Список основных публикаций приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы составляет 183 листа машинописного текста. Диссертация содержит 118 рисунков, 10 таблиц и список литературы из 89 наименований.
Реологические параметры водоуглеводородных эмульсий различных по дисперсному составу и концентрации
Основной гидродинамической особенностью концентрированных дисперсных систем является их высокая вязкость, которая многократно превышает вязкость дисперсионной среды. При этом реологические характеристики дисперсий типа «жидкость-жидкость» зависят как от объемного содержания дисперсной фазы, так и степени ее дисперсности [38]. Поэтому изучение течения дисперсных систем необходимо сопровождать исследованием их реологических характеристик. Их обычно определяют на ротационных вискозиметрах с использованием измерительных систем «конус-плоскость» или коаксиальных цилиндров. Система «конус-плоскость» обладает рядом преимуществ, такими как одинаковая величина скорости деформации сдвига во всем измеряемом образце и малым объемом пробы [39], поэтому ее использовали в экспериментальных исследованиях. Исследуемый материал в объеме около 0,1 мл помещается в зазоре между конусом и пластиной, далее происходит их сближение, что приводит к растеканию образца по поверхности пластины и заполнению пустотного пространства между ними. Во время вращения конуса прибор измеряет его момент вращения, из которого с учетом постоянной прибора находится напряжение деформации сдвига (касательное напряжение) т. Скорость деформации сдвига у изменяется от 11 до 900 с , а в ряде случаев и до 4860 с . Время деформирования образца на каждой ступени составляет 1 минуту.
У некоторых неньютоновских жидкостей касательное напряжение может зависеть не только от скорости деформации сдвига, но и от времени. Для них характерно наличие петли гистерезиса. Если вначале производить измерение касательного напряжения, постепенно увеличивая скорость деформации сдвига до определенного максимального значения (прямой ход), а затем, понижая до определенного минимального (обратный), то получим, что экспериментальные точки можно расположить на двух различных кривых, соответствующих прямому и обратному ходу.
Для эмульсионных систем зависимости касательного напряжения от скорости деформации сдвига (кривые течения) хорошо описываются в рамках трех реологических моделей (табл.1.1): Оствальда - де Ваале (г = ky"), Гершеля-Баркли (г = т0+ку") и Кэссона (т12 =т1/2 +/u1J2y1/2), где к - индекс консистентности, п - показатель неньютоновского поведения, г0 - предел текучести, ju0 - пластическая вязкость. В случаях, когда все три модели адекватно описывают экспериментальные данные, предпочтение перед моделью Гершеля-Балкли следует отдавать модели Освальда-де Ваале, поскольку она является двухпараметрической, а перед ней - Кэссона, ввиду того, что последняя - микрореологическая. Измерение зависимости касательного напряжения от скорости деформации сдвига дает возможность идентифицировать математическую модель, описывающую поведение дисперсии в условиях её деформирования, и, как следствие, описать движении в определенном диапазоне изменения внешних условий.
Тестирование простейших эмульгаторов с дистиллированной водой и гексаном на образование обратных эмульсий
Нефть является дисперсной системой, и хотя при ее течении эффекта динамического запирания не наблюдается, тем не менее, он может обуславливаться взаимодействием ее с другими компонентами эмульсии. Нефть содержит около 1000 индивидуальных веществ, из которых большая часть – жидкие углеводороды ( 500 веществ или обычно 80 – 90 % по массе) и гетероатомные органические соединения (4 – 5 %), преимущественно сернистые (около 250 веществ), азотистые ( 30 веществ) и кислородные (около 85 веществ), а также металлоорганические соединения (в основном ванадиевые и никелевые); остальные компоненты – растворенные углеводородные газы (C1 – C4, от десятых долей до 4 %), вода (до 10 %), минеральные соли (главным образом хлориды, 0,1 – 4000 мг/л и более), растворы солей органических кислот и другие, механические примеси (частицы глины, песка, известняка). В основном в нефти представлены парафиновые (обычно 30 – 35 %, реже 40 – 50 % по объёму) и нафтеновые (25 – 75 %). В меньшей степени – соединения ароматического ряда (10 – 20, реже 35 %) и смешанного, или гибридного, строения (например, парафино-нафтеновые, нафтено-ароматические) [40].
Было решено заменить дисперсионную среду нефть на гексан (насыщенный углеводород C6H14, относящийся к классу алканов). В результате получен следующий состав эмульсии: гексан (23 %); пластовая вода (73 %) и эмульгатор «Нефтенол» (4 %). При течении таких эмульсий в капиллярах длиной 4 см, диаметром 100 мкм наблюдается эффект динамического запирания [41]. По результатам экспериментов было обнаружено, что ни присутствие солей в воде, ни сложность и многокомпонентность нефти, не обуславливают наличие эффекта запирания. По всей видимости, он будет наблюдаться и для более простых систем, где вместо эмульгатора «Нефтенол» будет использоваться другой, более простой по химическому составу [42].
Для получения эмульсий использовались следующие поверхностно-активные вещества: «SPAN-80» (Сорбитан моноолеат C24H44O6), «Triton X-100» (C14H22O(C2H4O)9), «Tween-20» (Полиоксиэтилент-20-сорбитан мололауреат C58H114O26), Натрий лаурилсульфат (C12H25SO4Na), «Мирид», «Ялан», олеат натрия (C17H33COONa), «лапрол 6001». В качестве дисперсной среды использовался гексан, дисперсной фазы – дистиллированная вода. Результаты опытов, представлены в таблице 1.2 [43].
Течение эмульсий через цилиндрический микроканал с плавным сужением, изучение влияния механических включений
Была сделана попытка провести эксперименты с эмульсией, в которой отсутствовали бы инородные включения. Её приготовление проводилось в ламинарном шкафу, там же заполнялись эмульсией одноразовые шприцы, в качестве соединительных трубок использовались трубки от свежевскрытых систем для внутривенного вливания. Для исключения влияния механических примесей, сопоставимых по размеру с диаметром капилляра, которые могли бы играть определенную роль в процессе динамического запирания, в первом случае компоненты эмульсии были профильтрованы через мелкоячеистые фильтры. Во втором случае полученная таким образом эмульсия фильтровалась дополнительно через систему, состоящую из 3-х сетчатых фильтров с размерами ячеек 30-40 мкм.
Состав и способ приготовления эмульсии был аналогичен представленному выше, дизтопливо зимнее профильтровали через фильтр Millipore 0,22 мкм. Раствор хлорида натрия перемешивался с помощью магнитной мешалки более 10 часов, предварительно фильтровался через вату и далее через фильтр Millipore 0,22 мкм. Эмульгаторы фильтровались через фильтровальную бумагу 2,7 мкм
В серии экспериментов по изучению эффекта динамического запирания в цилиндрическом микроканале, когда эмульсия из подводящей трубки диаметром 1500 мкм подавалась в капилляры диаметром 100 мкм, было установлено, что динамическое запирание обусловлено процессами структуризации эмульсии у входа в капилляр [59]. 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) (рис. 2.10).
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 — kf , для данной эмульсии получили зависимость =1,85 у . Схема эксперимента и система регистрации аналогичны предыдущим [60]. 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 объёма протекшей эмульсии от времени приведена на рис. 2.11, расходные характеристики соответствуют тангенсу угла наклона кривой [61]. 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.
Зависимость объёма протекшей эмульсии от времени в капилляре с сужением 43 мкм при ступенчатом изменении перепада давления. Цифры в квадратах соответствуют кадрам, приведенным на рис. 2.12. Справа приведен график в увеличенном масштабе
Наблюдения, проводимые под микроскопом, обнаружили на 2265 секунде ворсинку, застрявшую в сужении (рис. 2.12, кадр 2), однако заметные изменения в расходных характеристиках не обнаруживается как на рис. 2.11, так и по показаниям весов. В течение 3-х минут картина течения не менялась и объёмный расход оставался прежним. Увеличение давления на входе до 100 кПа (рис. 2.12, кадр 3), привело к деформации ворсинки, она загнулась, кратковременно расход увеличился вдвое (рис.5.8, 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. 2.12, кадр 4), но, к сожалению, каких-либо структурных изменений заметить не удалось, кроме некоторого уплотнения после ворсинки. Начиная с 4220 секунды (рис. 2.12, 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. 2.12, 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 проведён повторный эксперимент, но с вдвое большим начальным перепадом давления. Полученная зависимость объёма протекшей эмульсии от времени приведена на рис. 2.13. Величина расхода возросла почти в 4 раза при удвоении перепада давления, что объясняется неньютоновскими свойствами дисперсии.
Влияние УЗ воздействия на состояние запирания
В ходе проведения экспериментов описанных выше водонефтяная эмульсия закончилась, поэтому для исследования влияния ультразвуковых полей на состояние запирания была получена такая же водонефтяная эмульсия с тем же составом (минерализованная вода – 73%, эмульгатор нефтенол НЗ - 4%, нефть – 20%, 32% водный раствор хлорида кальция – 3%).
Состояние запирания очень устойчиво, в течение нескольких суток микропотоки только уменьшаются. Возник вопрос о том, как вывести систему из этого состояния. Одним из этих способов является влияние акустического воздействия [50]. После запирания модель помещалась в воду и подвергалась действию ультразвукового излучателя Ультратон (избыточное давление не отключалось). Никаких изменений при 20 минутном воздействии заметить не удалось. В следующем подобном эксперименте радиальная модель с высококонцентрированной эмульсией находилась в состоянии запирания (при постоянно действующем избыточном давлении 200 кПа) в течение двух суток, после чего помещалась в ультразвуковую ванну УЗВ 3/100 ТН со значительно более мощными УЗ полями (мощность генератора 150±30 Вт, рабочая частота 25-28 кГц) на 2, 5, 10 минут.
Зависимость касательного напряжения от скорости деформации сдвига (рис. 3.27) аппроксимируется степенной моделью Освальда-де-Ваале т = ку", т.е. исследуемая эмульсия также представляет собой псевдопластичную жидкость.
Зависимость касательного напряжения от скорости деформации сдвига (сплошная – прямой ход, штриховая – обратный)
Для качественного сопоставления результатов были проведены эксперименты с начальным избыточными перепадом давления 200 кПа. Как обычно наблюдается запирание. Характер запирания схож с описанными ранее. График зависимости объема прошедшей эмульсии от времени приведен на рис. 3.28 (в квадратиках указаны номера кадров приведенных на рис. 3.29). После запирания модель помещалась в воду и подвергалась действию ультразвукового излучателя Ультратон (избыточное давление не отключалось). Никаких изменений при 20 минутном воздействии заметить не удалось. Подъем кривой после 8000 с обусловлен возобновлением движения эмульсии в ячейке после двухминутного воздействия мощных УЗ полей в ультразвуковой ванне УЗВ 3/100 ТН.
. Зависимость объёма протекшей эмульсии от времени при постоянно действующем избыточном давлении 200 кПа, в период 8400– 8520 с ячейка находилась под воздействием мощных ультразвуковых полей
Визуализация картины течения позволяет обнаружить в начале процесса некоторую деструкцию эмульсии – образование капель из микрокапель воды (рис. 3.29, кадры 1,2). Далее формируются радиальные трубки тока (кадр 3), затем проявляется хаотизация процесса (кадр 4), сопровождающаяся уменьшением расхода эмульсии. Через некоторый промежуток времени движение в ячейке начинает конвульсивно приостанавливаться, образуются эквипотенциальные поверхности – изобары (кадр 5,6) и движение в ячейке замирает через 4660 с.
В следующем подобном эксперименте модель находилась в состоянии запирания (при постоянно действующем избыточном давлении 200 кПа) в течении двух суток, после чего помещалась в ультразвуковую ванну на 2, 5 и 10 минут соответственно. Мощное УЗ воздействие приводит к возобновлению движения эмульсии в ячейке. Кривые зависимостей объема протекшей эмульсии после воздействия на ячейку мощными УЗ полями приведены на рис. 3.30 (в квадратиках указаны номера кадров приведенных на рис. 3.31). Из графиков видно, что увеличение длительности воздействия УЗ полей приводит к увеличению расхода и времени до наступления запирания. [50]
В начальный период после пробоя состояния запирания водонефтяной дисперсии в радиальной ячейке вновь проявляются радиальные трубки тока (рис. 3.31. кадр 2), которые затем, также как и в случае увеличения избыточного давления, искривляются (кадр 3). Через некоторое время
Изменение структуры потока после воздействия мощных УЗ полей расход падает и движение начинает конвульсивно останавливаться, образовывая при этом эквипотенциальные поверхности (кадр 4), и течение останавливается. При повторных воздействиях картины аналогичны.
Из графиков видно, что увеличение длительности воздействия УЗ полей приводит к увеличению расхода и времени до наступления запирания (рис. 3.30, сравнение а и б), но определенное количество времени в ультразвуке не оказывает существенного влияния на длительность последующего времени до запирания (рис. 3.30, сравнение б и в). Можно сделать вывод, что эмульсия под воздействием ультразвукового поля вернулась к первоначальному состоянию, и запирание произошло за то время, за которое должно было произойти. Структура потока после воздействия мощных УЗ полей (рис. 3.31, кадры 1, 2, 3) меняется приблизительно таким же образом, как и при обычном запирании (рис. 3.29), при повторных воздействиях картина аналогична.
Воздействие в течение 15 секунд ультразвуком на эмульсию ЖГ, запертую при перепаде давления 100 кПа, привело к прорыву запирания, повторное запирание произошло приблизительно за то же время, что и изначальное запирание – за 14 мин, т.е. уже за 15 секунд произошло разрушение структур в эмульсии ЖГ, в отличие от высококонцентрированной эмульсии, в которой это произошло лишь по истечении 5-10 минут. При воздействии на запертую при постоянно действующем перепаде давления эмульсию ЖГ постоянного УЗВ, уже за 2-7 мин наступило запирание, причем при помещении эмульсии ЖГ в УЗВ при воздействии перепада давления 200 кПа, запирание в ультразвуке наступило лишь по истечении 17 мин (рис. 3.32).
Влияние УЗВ-воздействия при разных перепадах давления
Действие ультразвуковых полей при радиально-расширяющемся течении практически полностью восстановило первоначальный расход, но время запирания после выключения излучателя зависело от времени воздействия. При ещё более длительном облучении система постепенно начинала запираться, изменение структуры течения и время перехода в состояние запирания были примерно такими же, как и первоначально, при отсутствии ультразвуковых полей.
Таким образом, мощные УЗ поля можно использовать для управления эффектом динамического запирания, что имеет большое практическое значение.
Заключение по течению крови в капиллярах
При рассмотрении движения крови через капилляр с сужением при перепаде давления 10 кПа обнаружено замедление движения, связанное с повышением содержания эритроцитов на входе в капилляр. При приведении подводящей трубки с микроканалом в положение, которое препятствует скоплению эритроцитов, движение возобновлялось с прежней интенсивностью.
Эффект динамического запирания крови в капиллярах отличается от случая водоуглеводородных эмульсий тем, что запирание не столь устойчиво. Это связано с несферичностью геометрической формы эритроцитов и тем, что взаимодействие их наноразмерных оболочек несколько отлично от взаимодействия оболочек микрокапель воды, состоящих из молекул ПАВ.
Реологические данные измерений вязкости крови хорошо аппроксимируются моделью Кессона. При больших скоростях деформации вязкость крови снижалась.
При горизонтальном движении крови в стеклянном капилляре присутствуют моменты запирания и повторного возобновления движения. Если при течении крови в стеклянном капилляре вертикально вниз со временем наступает довольно устойчивое динамическое запирание, то при течении её вверх после наступления запирания седиментационные процессы приводят к возобновлению течения, и далее обнаруживается подобие автоколебательного режима.
При измерении вязкости крови у 10 человек с ХОБЛ различной степени тяжести до и после лечения по стандартной схеме у трех из них экспериментально установлено уменьшение вязкости крови после проведенного курса терапии.
Наличие «дисперсных частиц» – эритроцитов крови приводит к появления динамического запирания. Динамическое запирание крови дает новое представление о возникновении инфарктов и инсультов и может лечь в основу новых методик для лечения этих и других сосудистых заболеваний.
Исследование течений обратных водоуглеводородных эмульсий в микроканалах позволило обнаружить эффект динамического запирания, для объяснения которого была предложена гипотеза [71], основанная на проявлении «трения» между микрокаплями воды и их деформацией. Проведенные ниже эксперименты направлены на изучение формы микрокапель в различных областях микрожидкостных устройств.
Фотолитография – метод получения рисунка на тонкой плёнке материала, широко используется в микроэлектронике и в полиграфии. Фоторезист – специальный материал, который изменяет свои физико-химические свойства при облучении светом. Фотошаблон — пластина, прозрачная для используемого в данном процессе электромагнитного излучения, с рисунком, выполненным непрозрачным для используемого излучения красителем. Процесс фотолитографии происходит так: yа стекло наносится фоторезист. Производится экспонирование через фотошаблон. Облучённые участки фоторезиста изменяют свою растворимость и их можно удалить химическим способом (процесс травления). Освобождённые от фоторезиста участки тоже удаляются. Заключительная стадия — удаление остатков фоторезиста. Если после экспонирования становятся растворимыми засвеченные области фоторезиста, то процесс фотолитографии называется позитивным. Иначе – негативным [89].
Изготовление микрочипов проходило по следующим этапам, при этом длительность воздействия на определенных участках находилось экспериментально:
1. Подготовка (чистка) стекол.
2.Подготовка помещения, для работы с фоторезистом должны гореть лампы только с желтой окраской.
3. Нанесение фоторезиста SU-8 на стекло и равномерное распределение по стеклу определенной толщины с помощью заданной частоты вращения спин-коатера.
4. Спекание SU-8 до экспонирования на нагревательной плитке.
5. Экспонирование (засветка) через фотошаблон (рис. 5.1, слева) ультрафиолетовым светом на фотолитографической установке (рис. 5.1, справа). Время экспонирования зависит от толщины слоя фоторезиста.
