Экспериментальное изучение генерации ультразвуковых волн в результате капиллярного движения жидкости в пористых средах

Грибова В.Ю., Кузнецов Д.М.,

Новочеркасская государственная мелиоративная академия

Капиллярное заполнение жидкостью гетерогенной пористой среды является нестационарным процессом, причем движение фронта жидкости по сечению этой среды не может являться ламинарным. Неизбежность образования волн уплотнения/разрежения жидкой среды при фильтрации обусловлено несколькими причинами.

Наличие участков с разной степенью лиофильности на поверхности пор и изменяющийся диаметр поровых каналов обусловливают прерывистый и турбулентный характер капиллярного движения жидкости. На лиофобных участках пор и расширениях поровых каналов самопроизвольное пленочное и менисковое движение жидкости затормаживается или прекращается вследствие изменения формы менисков и величины контактных углов смачивания. В этих условиях, когда поровые каналы не только непостоянны по своему сечению, но и обладают различной смачиваемостью поверхности, капиллярные силы имеют резко прерывистый характер, а условия для самопроизвольного капиллярного импрегнирования резко ухудшаются.

Другая причина генерации волн уплотнения или разрежения жидкой среды связана с непостоянностью сечения капилляров. Если на пути движения мениска встречается сужение канала, самопроизвольное продвижение его ускоряется, если же на пути движения мениска встречается резкое расширение канала, самопроизвольное продвижение его замедляется или прекращается.

Следует отметить, что в приводимых литературных экспериментальных данных отмечалось, что даже в случае стеклянных однородных капиллярах движение жидкости оказывалось прерывистым, авторы ряда работ отмечают движение жидкости по капилляру вверх против силы тяжести как колебательный процесс с затуханием /1,2/.

В свою очередь, прерывистое движение жидкости можно интерпретировать как акустические колебания с некоторой частотой и энергией. Очевидно, что энергия и амплитуда таких генерируемых волн невелики и в случае единичного капилляра микроскопических размеров диссипация энергии в окружающую среду не позволяет осуществить ее регистрацию на данном уровне развития техники. Однако, в случае множественности процесса, а фильтрация гетерогенной пористой среды предполагает одновременно заполнение именно множества капилляров различного сечения, различной лиофильности и различной осевого профиля, в действие вступают законы акустических расчетов и появляется возможность регистрации этих волн.

Дополнительным аргументом возможности регистрации по параметрам АЭ динамики фильтрации почвы, а в частности, песчаных грунтов, служит проведенный авторами анализ литературных данных. В настоящее время экспериментально установлено , что при пропитке пористых материалов (минеральные образцы, ткани, металлические изделия сложной формы) индуцируются ультразвуковые сигналы (их еще называют сигналы акустической эмиссии) в частотном диапазоне 100-500 кГц. Генерируемые в процессе пропитки сигналы имеют характерную динамику, которая в свою очередь определяется как вязко-текучими характеристиками жидкости, так и пористой структурой тела. Немаловажную роль играет также и смачиваемость материала и внешние условия.

Установлено что временная зависимость интенсивности регистрируемых при пропитке пористых материалов ультразвуковых сигналов АЭ совпадает с временной зависимостью процессов фильтрации песчаных грунтов. Более того, описание причин появления экстремумов в обоих случаях авторы объясняют примерно одинаково.

С целью проверки полученных теоретических результатов была проведена экспериментальная попытка обнаружения генерируемого акустического излучения, сопровождающего капиллярное движение жидкости.

Известно, что в процессе пропитки жидкости пористых материалов образование акустических волн может быть объяснено следующим образом: за счёт движения и последующего схлопывания газовых пузырьков. Для исключения этого явления исследуемые образцы только касались поверхности жидкости, причем, как видно из рис. 1 образец подвешивался над жидкостью, таким образом, чтобы края образца не соприкасались со стенками ёмкости. В качестве жидкости была использованы(вода, углеводороды, а также нефть одного из Северо-Кавказских месторождений). В качестве исследуемых образцов были использованы пористые материалы с различной пористой структурой (губчатой, корпускулярной и волокнистой) и различным типом межфазных поверхностей. Генерируемые в результате капиллярной пропитки акустические колебания достигали стенок ёмкости и воспринимались чувствительным пьезодатчиком. Форма ёмкости выбиралась таким образом, чтобы обеспечить усиление регистрируемого сигнала. Материалы ёмкости представлял собой кварц, который характеризуется низким коэффициентом поглощение ультразвука. Для более полной объективности картины приём акустических колебаний определялся двумя пьезодатчиками. Одни пьезодатчик так же устанавливался на дне ёмкости, а второй пьезодатчик устанавливался непосредственно на исследуемый образец (в случае использования керамического микропористого образца). Регистрация акустических сигналов осуществлялась с помощью акустико-эмиссионного комплекса A-Line 32

Одновременно с регистрацией акустических параметров контролировалось изменение высоты подъема жидкости по капиллярам керамического образца.

Во всех случаях, при различных комбинациях «пористый субстрат – жидкость» удалось зафиксировать генерацию ультразвуковых колебаний. Установлено, что в течение некоторого времени ( от долей секунд до 5 секунд) наблюдается период акустического «молчания» - минимальной акустической активности объекта. Затем наблюдается резкий рост активности, энергии и амплитуды акустических сигналов. Можно высказать предположение, что период акустического молчания соответствует стадии смачивания поверхности образца. В дальнейшем, наблюдается экспоненциальный рост суммы импульсов, что соответствует экспериментальным данным по динамике изменения высоты подъема жидкости по капиллярам керамического образца.

Рис.2. Динамика изменения ультразвуковых сигналов при капиллярной пропитке керамического образца нефтью.

Зафиксировано, что по мере капиллярного продвижения жидкости число, энергия и амплитуда регистрируемых акустических колебаний постепенно снижаются, в то время как частота остается в достаточно широкой полосе – от 30 до 300 кГц. Тот факт, что для каждой пары «пористый субстрат – жидкость» удалось получить индивидуальную картину генерации ультразвуковых сигналов, позволяет, помимо контроля процесса фильтрации почв и изучения водно-физических свойств почв и грунтов предложить еще дополнительное приложение установленного явления. В случае использования эталонных образцов пористой керамики предлагаемый нами метод, основанный на явлении генерации ультразвуковых волн в результате капиллярного движения жидкости в пористых средах, может быть, применен, например, в качестве эскпресс-контроля качества бензинов или других жидких углеводородов без использования химических реагентов.

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 12-08-01190-а

Литература

1. Канчукоев В.З. Определение начальной скорости движения и продолжительности движения жидкости в капиллярах/В.З.Канчукоев, Б.С. Карамурзов, В.А. Созаев, В.В.Чернов// ИФЖ. — 2003. — Т.76. — №1.

2. В.И.Волков, Д.Ю.Козлов, Е.Р. Кирколуп Исследование динамики движения жидкости по капилляру// Известия Алтайского государственного университета, 2007 — №1, С.100—104.