Моделирование электровязкостного эффекта при фильтрации жидкости в горных породах
Розглянуто ефект електров'язкісного гальмування при фільтрації рідини в гірських породах за рахунок виникнення потенціалу течії та вплив на цей ефект електрокінетичного потенціалу та розмірів пор гірських порід....
Збережено в:
| Дата: | 2012 |
|---|---|
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
2012
|
| Назва видання: | Геотехническая механика |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/54014 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Моделирование электровязкостного эффекта при фильтрации жидкости в горных породах / Б.А. Блюсс, Н.А. Никифорова, О.В. Витушко // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2012. — Вип. 101. — С. 187-192. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-54014 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-540142014-01-30T03:12:01Z Моделирование электровязкостного эффекта при фильтрации жидкости в горных породах Блюсс, Б.А. Никифорова, Н.А. Витушко, О.В. Розглянуто ефект електров'язкісного гальмування при фільтрації рідини в гірських породах за рахунок виникнення потенціалу течії та вплив на цей ефект електрокінетичного потенціалу та розмірів пор гірських порід. The effect of electroviscous retardation during fluid weepage in rocks due to streaming potential initiation and influence of rock electrokinetic potential and pores size on this effect are considered. 2012 Article Моделирование электровязкостного эффекта при фильтрации жидкости в горных породах / Б.А. Блюсс, Н.А. Никифорова, О.В. Витушко // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2012. — Вип. 101. — С. 187-192. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 1607-4556 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/54014 622.794.2:532.13.001.57 ru Геотехническая механика Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| description |
Розглянуто ефект електров'язкісного гальмування при фільтрації рідини в гірських породах за рахунок виникнення потенціалу течії та вплив на цей ефект електрокінетичного потенціалу та розмірів пор гірських порід. |
| format |
Article |
| author |
Блюсс, Б.А. Никифорова, Н.А. Витушко, О.В. |
| spellingShingle |
Блюсс, Б.А. Никифорова, Н.А. Витушко, О.В. Моделирование электровязкостного эффекта при фильтрации жидкости в горных породах Геотехническая механика |
| author_facet |
Блюсс, Б.А. Никифорова, Н.А. Витушко, О.В. |
| author_sort |
Блюсс, Б.А. |
| title |
Моделирование электровязкостного эффекта при фильтрации жидкости в горных породах |
| title_short |
Моделирование электровязкостного эффекта при фильтрации жидкости в горных породах |
| title_full |
Моделирование электровязкостного эффекта при фильтрации жидкости в горных породах |
| title_fullStr |
Моделирование электровязкостного эффекта при фильтрации жидкости в горных породах |
| title_full_unstemmed |
Моделирование электровязкостного эффекта при фильтрации жидкости в горных породах |
| title_sort |
моделирование электровязкостного эффекта при фильтрации жидкости в горных породах |
| publisher |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| publishDate |
2012 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/54014 |
| citation_txt |
Моделирование электровязкостного эффекта при фильтрации жидкости в горных породах / Б.А. Блюсс, Н.А. Никифорова, О.В. Витушко // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2012. — Вип. 101. — С. 187-192. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
| series |
Геотехническая механика |
| work_keys_str_mv |
AT blûssba modelirovanieélektrovâzkostnogoéffektaprifilʹtraciižidkostivgornyhporodah AT nikiforovana modelirovanieélektrovâzkostnogoéffektaprifilʹtraciižidkostivgornyhporodah AT vituškoov modelirovanieélektrovâzkostnogoéffektaprifilʹtraciižidkostivgornyhporodah |
| first_indexed |
2025-07-05T05:23:40Z |
| last_indexed |
2025-07-05T05:23:40Z |
| _version_ |
1836783260889251840 |
| fulltext |
187
24. Бурчак О.В. Парамагнітні властивості кам’яного вугілля як показники стану речовини / О.В. Бурчак //
Геотехнічна механіка: Міжвід. зб.нук. праць Ін-т Геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України.– Дн-
ск, 2010.– Вип. 88.– С.40 – 45.
25. Кіяшко Ю.І. Зміна структури вугілля при моделюванні динамічного руйнування / Ю.І. Кіяшко, Р.А.
Дякун, О.В. Бурчак.– Геотехнічна механіка: Між від. збір. наук. праць, Ін-т геотехнічної механіки ім.
М.С. Полякова НАН України, Дніпропетровськ, 2009. – Вип. 81. – С. 74–80.
26. Балалаев А.К. Тенденции развития молекулярной структуры органического вещества каменных углей /
А.К. Балалаев, А.В. Бурчак.– Наукові праці УкрНДМІ НАН України. Вип. 9 Ч.ІІ – Донецьк, УкрНДМІ НАН
України, 2011.– С.68–76.
27. Бурчак А.В. Эффект изменения параметров ИК-спектров углей в ряду метаморфизма при механическом
давлении / А.В. Бурчак, А.К. Балалаев // Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук. праць Ін-т Геотехнічної ме-
ханіки ім. М.С. Полякова НАН України Дніпропетровськ, 2010. – Вип.87.– С.190–198.
28. Бурчак А.В. Исследования процессов перестройки молекулярной структуриы мацералов угля при тем-
пературной динамике / А.В. Бурчак, А.К. Балалаев, Ю.А. Сериков // Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук.
праць Ін-т Геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України Дніпропетровськ, 2012. – Вип.102.– С.58–66.
УДК 622.794.2:532.13.001.57
Д-р техн. наук Б.А. Блюсс
(ИГТМ НАН Украины),
канд. техн. наук Н.А. Никифорова
(НМетАУ),
д-р техн. наук О.В. Витушко
(ООО "Шахтстроймонтаж")
МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОВЯЗКОСТНОГО ЭФФЕКТА ПРИ
ФИЛЬТРАЦИИ ЖИДКОСТИ В ГОРНЫХ ПОРОДАХ
Розглянуто ефект електров'язкісного гальмування при фільтрації рідини в гірських породах
за рахунок виникнення потенціалу течії та вплив на цей ефект електрокінетичного потенціалу
та розмірів пор гірських порід.
SIMULATION OF ELECTROVISCOUS EFFECT DURING FLUID
WEEPAGE IN ROCKS
The effect of electroviscous retardation during fluid weepage in rocks due to streaming po-
tential initiation and influence of rock electrokinetic potential and pores size on this effect are
considered.
Естественная фильтрация подземных вод через горные породы оказывает су-
щественное влияние на прочность и устойчивость горных массивов. Поскольку
фильтрация происходит через поры горной породы, то горную породу можно рас-
сматривать как сеть тонких капилляров. При контакте стенок таких капилляров,
образованных минералами или горными породами, с природной водой, содер-
жащей растворенные электролиты и обладающей электропроводностью, на гра-
нице раздела твердой и жидкой фаз возникает двойной электрический слой, со-
стоящий из заряженной твердой поверхности и прилегающего к ней тонкого
слоя противоположно заряженного электролита (рис. 1).
188
a – радиус капилляра; ai – толщина двойного электрического слоя;
Δ – толщина плотной части двойного электрического слоя
Рис. 1 – Двойной электрический слой при течении раствора электролита через капилляр.
Заряд на стенке поры возникает либо в результате ионизации поверхност-
ных молекул твердого вещества, либо в результате избирательной адсорбции на
твердой поверхности ионов с одинаковым знаком заряда [1 – 7]. В жидкой сре-
де вблизи межфазной поверхности концентрируются противоположно заря-
женные ионы (противоионы) в количестве, необходимом для компенсации за-
ряда твердой поверхности. Раствор электролита в центральной части капилляра
является электрически нейтральным. Двойной электрический слой состоит из
плотной и диффузной частей, причем диффузная часть двойного слоя способна
смещаться относительно плотной по плоскости скольжения, находящейся на
расстоянии (рис. 1) от заряженной поверхности. Возможность смещения ча-
сти двойного электрического слоя является причиной электрокинетических яв-
лений, возникающих при течении электропроводных жидкостей через тонкие
капилляры. Потенциал на плоскости скольжения называется - потенциалом
(дзета-потенциалом), или электрокинетическим потенциалом и является основ-
ной физической величиной для всех электрокинетических явлений.
Фильтрация жидкости через пористую горную породу возникает под действи-
ем градиента давления, вызывающего смещение ионов диффузного слоя в
направлении потока жидкости. В результате движения зарядов вдоль плоскости
скольжения возникает разность потенциалов на концах капилляров (пор) породы
(рис. 1). Эта разность потенциалов, которую при установившемся ламинарном те-
чении называют потенциалом течения, приводит к появлению тока проводимости
в обратном направлении. Объемная скорость течения раствора через капилляр с
учетом возникновения потенциала течения определяется по формуле [4]
2
2224
16
)1(
8
PFGaPa
V , (1)
где a– радиус капилляра, м; P – градиент давления в поре, Па; – вязкость
жидкости, Па·с; – диэлектрическая константа жидкости; – электрокинетиче-
ский потенциал, В; 002 nme – удельная электропроводность нейтрального
электролита, Ом
–1
м
–1
; m– подвижность ионов электролита; 0e – заряд протона,
189
Кл; 0n – концентрация соответственно катионов или анионов в нейтральном
электролите;
a
drrr
a
G
0
2
)(
2
;
r – расстояние, измеренное радиально от оси, м; )(r – потенциал на расстоя-
нии r от оси, вызванный наличием двойного электрического слоя в отсутствие
электрического поля;
a as
dR
dR
Rd
RdRRR
Ga
aFF
0 0
2*
2
*
,
)
)(
()(cosh
)1()(
2
1
),( ;
2
1
2
008
kT
en
;
kT
e
as
0)( ;
2
0
2
2222
*
16 e
Tk
; ;rR
κа – электрокинетический радиус; k – константа Больцмана, Дж/К; T – абсо-
лютная температура, К.
При этом *представляет собой безразмерный параметр, зависящий только
от свойств электролита, а s – безразмерный дзета-потенциал.
Из формулы (1) видно, что возникновение потенциала течения приводит к
уменьшению скорости фильтрации, которое может быть весьма значительным,
вплоть до прекращения фильтрации. Этот эффект проявляется как появление
кажущейся вязкости раствора 0 , большей, чем , то есть, возникает электро-
вязкостное торможение течения. Отношение кажущейся вязкости раствора
электролита к истинной определяется по формуле
1
2
2*
0
)(
)1(8
1
a
FGs .
На рис. 2 и 3 приведены графики зависимости ( /0 ) от a и s соответ-
ственно при * = 0.25 [4].
190
Рис. 2 – Зависимость (μ0/μ) от κа для различных значений Ψs при β
*
= 0.25
Рис. 3 – Зависимость (μ0/μ) от Ψs для различных значений κа при β
*
= 0.25
На рис. 2 видно, что зависимость отношения кажущейся вязкости электро-
лита к истинной от электрокинетического радиуса капилляра проходит через
максимум при любых значениях s (безразмерного дзета-потенциала), причем,
чем больше абсолютная величина - потенциала, тем при меньших значениях
радиуса поры наблюдается максимум, и тем больше его высота. Зависимость
/0 от s (рис. 3) также проходит через максимум при любых значениях
электрокинетического радиуса капилляра, причем высота максимума тем
больше, чем меньше радиус капилляра. Это можно объяснить следующим обра-
зом. Как уже говорилось, к заряженным стенкам капилляра (поры) прилегает
191
тонкий слой противоположно заряженного электролита, а в центральной части
капилляра течет нейтральный раствор электролита (рис. 1). Рассмотрим сначала
правые ветви графиков на рис. 2 и левые ветви кривых на рис. 3. Чем больше
радиус капилляра, тем больше площадь сечения, занятая нейтральным электро-
литом, и тем в меньшей степени обратное течение, вызванное индуцированным
потенциалом течения, сказывается на результирующей скорости фильтрации.
Величина - потенциала тем больше, чем больше толщина диффузной части
двойного электрического слоя, увлекаемой потоком электролита, возникшим за
счет градиента давления. Поэтому при одинаковом радиусе поры при большей
абсолютной величине - потенциала потенциал течения, а значит, и вызванный
им ток проводимости имеет большую величину и обуславливает больший
напор обратного потока, большее торможение, большую величину кажущейся
вязкости. Что касается левых ветвей графиков на рис. 2 и правых ветвей графи-
ков на рис. 3, то и увеличение абсолютной величины - потенциала (а значит,
толщины диффузного слоя) при одинаковых радиусах пор, и уменьшение ради-
уса пор при одинаковой абсолютной величине - потенциала приводит к
уменьшению прослойки нейтрального раствора электролита между диффузны-
ми частями двойных электрических слоев, прилегающих к стенкам капилляра.
Чем меньше радиус пор, тем в большей степени будут действовать силы трения
и молекулярного сцепления, и тем большим будет влияние движущего давле-
ния на фильтрацию жидкости.
На величину - потенциала оказывают влияние многие факторы [1 – 5].
Прежде всего, в случае оксидных минералов это рН раствора, так как для них
потенциалопределяющими являются ионы Н
+
и ОН
–
, обладающие высокой ад-
сорбционной способностью. Особенно велика роль рН среды в тех случаях, ко-
гда в контакте с водным раствором находится амфотерный оксид (например,
оксид алюминия), и при изменении кислотности среды возможна перезарядка
фаз. Дзета-потенциал уменьшается по абсолютной величине с увеличением
концентрации электролита, даже не взаимодействующего с поверхностью, и с
увеличением абсолютной величины заряда его ионов. В наибольшей степени
уменьшают - потенциал наименее гидратированные ионы.
Выводы. Скорость фильтрации подземных вод через горные породы опре-
деляется минеральным составом этих пород, составом подземных вод и разме-
рами пор в породе. Эффект электровязкостного торможения фильтрации за счет
возникновения потенциала течения в наименьшей степени проявляется при вы-
сокой засоленности подземных вод и преобладании в горной породе микропор
или пор большого диаметра. При низкой концентрации растворенных солей и
преобладании в горной породе пор с радиусом, соответствующим максимуму
электровязкостного торможения, уменьшение скорости фильтрации является
существенным.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Злочевская Р.И., Королев В.А. Электроповерхностные явления в глинистых породах/ Р.И. Злочевская,
В.А. Королев. – М.: Изд-во МГУ, 1988. – 177 с.
2. Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии/ С.С. Воюцкий.- Изд. 2-е, перераб. и доп.– М., «Химия», 1976.–
512 с.
3. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии (Поверхностные явления и дисперсные системы): учебн. [для студ.
192
хим.-техн. спец. вузов]/ Ю.Г. Фролов– М.: Химия, 1982. – 400 с.
4. Levine S. Theory of electrokinetic flow in fine cylindrical capillaries at high zeta-potentials/ S. Levine, J.R.
Marriott, G. Neale, N. Epstein / Journal of Colloid and Interface Science. – Vol. 52, No. 1, 1975. – P. 136 – 149.
5. Семененко Е.В. Влияние электрокинетических явлений на фильтрацию жидкости в горных породах /
Е.В. Семененко, Н.А. Никифорова, О.В. Витушко, Л.Ю. Колодяжная // Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. нау-
кових праць / Ін-т геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України. –Дніпропетровськ, 2011. – Вип. 92. –
С. 78 – 84.
6. Титов К.В. О влиянии поверхностной проводимости на электропроводность горных пород / К.В. Титов //
«Электронный научный журнал "Исследовано в России".– 2003. – C.1013-1026.
7. Титов К.В., Коносавский П.К., Ильин Ю.Т. Становление потенциала течения в пористой среде: числен-
ные эксперименты / К.В. Титов, П.К. Коносавский, Ю.Т. Ильин / Электронный научный журнал "Исследовано в
России", 2007. – С. 139–149.
УДК 622.647.7+622.648.004.3:622.023.65
Канд. техн. наук С.Н. Пономаренко
(ИГТМ НАН Украины)
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТЕРЬ ЭНЕРГИИ НА СМЕШИВАНИЕ ПОТОКОВ
ВОЗДУХА В ТРАНСПОРТНОМ ТРУБОПРОВОДЕ
ВИБРОПНЕВМОТРАНСПОРТНЫХ МАШИН
Приведені результати теоретичних і експериментальних досліджень впливу на відносні
втрати кінетичної енергії кута взаємодії потоків повітря при їх змішуванні в транспортному
трубопроводі вібропневмотранспортних машин з кільцевим ежектором. Встановлені законо-
мірності зміни втрат енергії від довжини транспортного трубопроводу та співвідношення
площ транспортного трубопроводу та зрізу кільцевої щілини ежектора.
DETERMINATION OF LOSSES OF ENERGY ON MIXING
OF BLASTS IN A TRANSPORT PIPELINE
OF VIBRO-PNEUMONIC-TRANSPORT MACHINES
Results over of theoretical and experimental researches of influence on the relative losses of
kinetic energy of corner of co-operation of blasts are brought at their mixing in a transport pipeline
of vibro-pneumonic-transport machines with circular ejector. Conformities to law of change of
losses of energy are set from length of transport pipeline and correlation of areas of a transport pipe-
line and cut of circular crack of ejector.
Кольцевое эжекторное устройство вибропневмотранспортных машин
(ВПМ) представляет собой аппарат, в котором высоконапорный (эжектирую-
щий) поток воздуха, вытекающий из эжектора в смесительную камеру в виде
несвободной турбулентной струи, создает в ней зону разрежения, в которую
под действием разности давлений устремляется низконапорный (эжектируе-
мый) поток воздуха. При этом, происходит передача энергии одного потока
другому путем их турбулентного смешения, которое происходит из-за наличия
поперечных составляющих пульсационных компонентов скорости потоков. В
результате этого процесса полное давление эжектируемого потока воздуха под
действием эжектирующего потока воздуха увеличивается, а профили скорос-
тей выравниваются. Однако выравнивание этих профилей происходит с поте-
рями кинетической энергии, обусловленными смешиванием эжектирующего и
эжектируемого потоков воздуха [1, 2].
Как было показано в работах [3, 4], на величину относительных потерь ки-
нетической энергии на смешивание эжектирующего и эжектируемого потоков
|