Динамическое запирание дисперсных потоков в микроканалах

Ахметов А.Т., Рахимов А.А., Валиев А.А., Васильев А.В.

Цель:

Экспериментальное исследование особенностей гидродинамики эмульсий в микроканалах

Течение эмульсий сопровождается физико-химическими превращениями, а также коалесценцией и дроблением капель. Кроме того, движение эмульсии сопровождается перераспределением концентрации дисперсной фазы в потоке, реструктуризацией мицелл в дисперсионной фазе, переходом молекул поверхностно-активного вещества (ПАВ) из дисперсионного объёма в поверхность капель и обратно, миграцией молекул ПАВ по поверхности капель и неоднозначным взаимодействием микрокапель при уменьшении слоя между ними. Такое множество преобразований существенно осложняет гидродинамическое поведение системы. При течении в микроканалах взаимодействие со стенками приводит к более яркому проявлению перечисленных процессов и появлению эффектов, связанных с самоорганизацией сложной системы. Это приводит к тому, что гидродинамика эмульсий в микроканалах имеет свои особенности.

График зависимости объема прошедшей через микроканал эмульсии и скорости течения эмульсии в состоянии запирания в микроканале от времени
Эффект динамического запирания

Эффект динамического запирания проявляется в различных типах течений в микроканалах. Он состоит в том, что течение эмульсии через микроканал, несмотря на постоянно действующий перепад давления, со временем замедляется на несколько порядков (3-4 порядка). Такое название эффект получил из-за того, что, несмотря на визуально наблюдаемую остановку течения в масштабе модели, в микромасштабе обнаруживаются микропотоки с гораздо меньшим расходом. Следует отметить, что во всех случаях проявления эффекта динамического запирания, изученных нами, размеры капель эмульсии во много раз меньше характерных поперечных размеров микроканалов. Кроме того, наблюдаемый эффект может трактоваться как проявление неустойчивости течения эмульсий в микроканалах, когда при подаче эмульсии с постоянным перепадом давления на участке микроканала скорость течения со временем замедляется на несколько порядков, далее уменьшение давления может привести к увеличению скорости, кратковременный сброс давления – к частичному восстановлению течения. 

Использование методов визуализации совместно с измерением гидродинамических параметров течений позволяет обнаружить структурные изменения в потоках и эффекты, приводящие к неустойчивому течению эмульсий. Сравнивая видеоинформацию, полученную при различных масштабах увеличения, удается выявить причины, влияющие на изменения параметров потока и его структуры при постоянных внешних условиях.

Хотя наиболее значительные преобразования при течении в микроканалах происходит при больших концентрациях капель, важно начать исследование со слабоконцентрированных эмульсий, чтобы изучить взаимодействие капель с потоком и научиться находить влияние неустойчивого поведения капель на их деформацию, ориентацию, дробление, коалесценцию и перераспределение в сечении потока.

Исследования проводятся на различных типах микрожидкостных устройств, полученных как традиционными методами: осесимметричный капилляр, капилляр с сужением, ячейка Хили-Шоу, так и с использованием методов мягкой фотолитографии.

Перспективы:

Детальное экспериментальное изучение эффекта динамического запирания эмульсий позволит разработать новые технологии увеличения нефтеотдачи