本文演示了在基于表面活性剂的剪切稀化粘弹性流体中测量球形颗粒终端沉降速度的实验步骤。制备了具有广泛流变特性的流体，并在无限流体以及平行壁面间的流体中，测量了多种颗粒尺寸的沉降速度。
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本文内容
摘要
摘要
本实验研究旨在测量球形颗粒在基于表面活性剂的剪切稀释黏弹性（VES）流体中的终端沉降速度。测量分别在无限流体 以及平行壁面间的流体中进行。制备了具有广泛流变特性的 VES 流体，并对其进行了流变学表征。流变学表征包括稳态剪切黏度和动态振荡剪切测量，分别用于量化流体的黏性与弹性特性。在无限条件下的沉降速度测量于直径至少为颗粒直径 25 倍的烧杯中进行。为测量平行壁面间的沉降速度，构建了两种不同壁面间距的实验装置。将不同尺寸的球形颗粒轻轻投入流体中并使其自由沉降。该过程由高分辨率视频摄像机记录，颗粒的运动轨迹通过图像分析软件获取。终端沉降速度由所记录的数据计算得出。
通过将实验测得的沉降速度与Renaud et al.1 提出的非弹性阻力预测模型计算出的沉降速度进行比较，可量化弹性对无限流体中沉降速度的影响。结果表明，流体的弹性可能提高或降低沉降速度。沉降速度减小或增大的程度取决于流体的流变特性以及颗粒的性质。观察发现，受限壁面会对沉降产生阻滞效应，该阻滞效应通过壁面因子进行量化测量。
引言
液体中的颗粒悬浮液广泛应用于制药生产、废水处理、空间推进剂再注入、半导体加工以及液体洗涤剂制造等领域。在石油工业中，黏弹性压裂液被用于在水力裂缝中输送支撑剂（通常为砂子）。当停止泵注后，这些支撑剂可使裂缝保持张开状态，为烃类回流提供导流通道。
颗粒沉降受流体的流变性和密度、颗粒的大小、形状和密度以及受限壁面效应的影响。对于在牛顿流体中处于爬流状态下的球形颗粒，其沉降速度由斯托克斯（Stokes）于1851年推导出的斯托克斯方程给出。后续研究者已提出了用于计算较高雷诺数下阻力的表达式2-6。受限壁面通过对颗粒施加阻碍作用而降低沉降速度。壁面因子Fw定义为存在受限壁面时的终端沉降速度与无限空间条件下的沉降速度之比，用于量化受限壁面的阻碍效应。目前已有大量理论与实验研究，报道了在不同截面形状的管内、宽范围雷诺数条件下，球形颗粒在牛顿流体中沉降的壁面因子7-13。总体而言，关于球形颗粒在牛顿流体中所受阻力的研究已积累了丰富的信息。
关于颗粒在非牛顿流体（特别是粘弹性流体）中沉降速度的先前研究尚不完善。多种数值预测14-18 和实验研究19-24 在文献中已有方法可用于确定球体在非弹性幂律流体中所受的曳力。采用Tripathi的理论预测 等15 和 Tripathi....
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方案
1. 液体的配制
本实验研究采用一种无聚合物、具有粘弹性、双组分、基于表面活性剂的流体体系。该流体体系已在多个油气田的水力压裂作业中得到应用44,45。选择该流体体系用于本研究的原因在于其具有光学透明性，且其流变性能可通过系统调节两种组分的浓度和比例进行控制。该流体体系由一种阴离子表面活性剂（如二甲苯磺酸钠）作为A组分，以及一种阳离子表面活性剂（如N,N,N-三甲基-1-十八烷基氯化铵）作为B组分组成。
- 将一定浓度的组分 A 加入蒸馏水中，使用顶置式搅拌器以高转速搅拌，确保充分混合。持续搅拌 2–3 分钟。
- 向该混合物中加入一定浓度的组分 B，并继续搅拌额外的 2–3 分钟。
- 静置混合物 2–6 小时，以排出气泡。注意：最终的流体混合物为光学透明。本研究使用了七种不同浓度的流体混合物，所选浓度旨在获得黏度范围较宽的流体混合物。
2. 无限流体中沉降速度的测量
使用直径为1-5 mm的玻璃珠。
- 使用高分辨率显微镜测量玻璃微球的直径。确保微球表面光滑且接近完美的球形。
- 将液体储存在玻璃容器中，容器直径至少为颗粒直径的25倍，以确保容器壁对颗粒沉降速度无影响。
- 使用实验室温度计记录室温和液体温度。温度测量至关重....
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结果
实验在七种具有不同 K、n 和 λ 值的流体混合物中，对五种不同直径的颗粒进行。图1 显示了一种流体中颗粒沉降速度随颗粒直径的变化关系。误差棒表示三次测量结果的波动范围。实验过程中测得的室温为23 °C。可以看出，沉降速度随颗粒直径的增大而增加。图3 显示了同一流体在23 °C温度下测得的稳态剪切黏度，图中展示了流体黏度随剪切速率的变化关系。该流体表现出剪切稀化行为。根据 图1 中的沉降速度，计算出所有颗粒对应的剪切速率为2V/dp。在此剪切速率范围内，采用幂律（K、n）模型进行拟合，结果如 图3 所示。拟合得到的 K 值为0.666 Pa.sn，.......
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讨论
本实验研究聚焦于测量球形颗粒在剪切稀化黏弹性流体中于无约束和受限条件下的沉降速度。文中详细介绍了获得可重复沉降速度测量结果的实验步骤。结果显示，流体弹性可能提高或降低沉降速度。器壁对沉降具有阻碍作用，该效应以壁面因子的形式进行量化测量。
在实验之前，应确保颗粒接近完美的球形且表面光滑。球体的直径应准确测量。应通过在无限大牛顿流体中进行一些预实验，包括图像分析，来验证实验步骤。例如 甘油溶液）并将实验测得的沉降速度与斯托克斯解析解进行比较。
应至少重复实验三次，以确保可重复性。需注意在实验进行时测量流体的温度，并在相同温度下测定流变学参数。
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披露
作者希望指出，本出版物的目的是对测量颗粒沉降的实验操作进行可视化演示。关于详细结果与分析，读者应参考此前的出版物43。
致谢
作者感谢美国能源部（DOE）和非常规能源与技术研究协会（RPSEA）提供的资金支持，同时感谢赞助德克萨斯大学奥斯汀分校水力压裂与出砂控制联合工业项目（JIP）的各公司（Air Liquide、Air Products、Anadarko、Apache、Baker Hughes、BHP Billiton、BP America、Chevron、ConocoPhillips、ExxonMobil、Ferus、Halliburton、Hess、Linde Group、Pemex、Pioneer Natural Resources、Praxair、Saudi Aramco、Schlumberger、Shell、Southwestern Energy、Statoil、Weatherford 和 YPF）。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 玻璃微球 | Whitehouse Scientific | #GP1750 | 提供不同筛分粒径范围。 |
| 流变仪 | TA Instruments | ARES | 任何可进行动态和静态测量的标准流变仪。 |
| 阴离子表面活性剂（组分 A） | 专有液体 | 用于油田服务中的水力压裂。可使用十二烷基苯磺酸钠作为替代品。 | |
| 阳离子表面活性剂（组分 B） | 专有液体 | 用于油田服务中的水力压裂。可使用N,N,N-三甲基-1-十八烷基氯化铵作为替代品。 |
参考文献
- Renaud, M., Mauret, E., Chhabra, R. P. Power-law fluid flow over a sphere: average shear rate and drag. 82, 1066-1070 (2004).
- Clift, R., Grace, J. R., Weber, M. E. Bubbles, Drops and Particles. , Academic Press. New York. (1978).
- Khan, A. R., Richardson, J. F.
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重印与许可
