ОБРАЗОВАНИЕ И РАСПРОСТРАНЕНИЕ УДАРНЫХ ВОЛН В НАСЫЩЕННЫХ ПОРИСТЫХ СРЕДАХ

Журов А.А.

Аспирант, Институт механики им. Р.Р. Мавлютова Уфимский научный центр Российской академии наук

ОБРАЗОВАНИЕ И РАСПРОСТРАНЕНИЕ УДАРНЫХ ВОЛН В НАСЫЩЕННЫХ ПОРИСТЫХ СРЕДАХ

Аннотация

Целью работы является определение связи физических свойств пористой среды и флюидов, насыщающих поровое пространство, с характеристиками проходящих и отраженных слабых ударных волн. Для проведения эксперимента использовалась установка типа «Ударная труба».

Для решения поставленной задачи ударная труба оснащается секцией насыпных сред. Для регистрации давления использовались пьезоэлектрические датчики и  плата L-card состоящая из усилителя заряда и АЦП.

Ключевые слова: Ударные волны, водонасыщенность, пористые среды, амплитуда ударной волны.

Zhurov A.A.

Postgraduate student, The Institute of mechanics. RR Mavlyutov Ufa scientific center, Russian Academy of Sciences

THE FORMATION AND PROPAGATION OF SHOCK WAVES IN SATURATED POROUS MEDIA

Abstract

The aim is to determine the relation of the physical properties of the porous medium and the fluid saturating the pore space, the characteristics of the transmitted and reflected weak shock waves. For the experiment used a setup like "shock tube".

To solve the problem of shock tube equipped with a section of bulk media. For pressure detecting used piezoelectric sensor and L-card board consisting of a charge amplifier and ADC.

Keywords: Shock waves, water saturation, the porous medium, the amplitude of the shock wave.

В настоящее время имеется достаточно большое количество работ, направленных на установление связи физических свойств флюидов, насыщающих поровое пространство горных пород, с характеристиками проходящих и отраженных ударных волн[1,2]. При изучении особенностей прохождения ударных волн через водогазонасыщенные структуры, была установлена немонотонная  зависимость степени поглощения слабых ударных волн от концентрации водной фазы в песке в диапазоне  от 0 до 100%[3]. В работе Ю. И. Колесникова [4] рассмотрено влияние поверхностного натяжения на формирование ударной волны во влажном ненагруженном песке. На участке 95-100% было установлено улучшение прохождения ударной волны при увеличении газовой фазы от 0 до 5%, что было неожиданностью. При увеличении насыщенности до 10% происходит уменьшение амплитуды упругой волны в 4 раза. Физическая сторона такого поведения ударной волны может быть связана с расклинивающим давлением  при малых концентрациях воды, при больших концентрациях существенным уменьшением пузырьков газа. При увеличении до 97% амплитуда увеличивается на порядок. Затем падает в три раза до значений, полученных при прохождении волны в сухом песке (Рис. 1.а). Передо мной была поставлена задача проведения экспериментальных и теоретических исследований распространения слабых ударных волн в насыпных средах с объемным содержанием жидкости от 90 до 100%. Проверить полученные результаты и уточнить диапазон концентраций, при которых увеличение газовой фазы приводит к улучшению прохождения слабых ударных волн. Физико-химические и механические свойства этих сред зависят от свойств удерживаемой ими влаги. Эксперименты были проведены на вертикальной ударной трубе.

Установка оснащается секцией насыпных сред (СНС) длиной 34см, в которой имеется возможность закрепления пьезоэлектрических датчиков на разных уровнях. Имеются 2 донных датчика один для фильтрационной волны, а второй  для непосредственной регистрации падающей ударной волны. В усилительной части пьезоэлектрического датчика использовалась 4-х канальная плата L-card состоящая из усилителя заряда и АЦП. Нами использовались датчики давления типа ЛХ-610. Первый в камере низкого давления на расстоянии 72 см от диафрагмы, второй датчик в СНС на расстоянии  5 см от ее поверхности, третий для регистрации фильтрационной волны и четвертый - для падающей волны на дне СНС (Рис.1.б). Предусилители двух первых датчиков были загрублены при помощи емкостного шунтирования.

 

Рис. 1 – а) Зависимость амплитуды прошедшей волны от степени водонасыщенности. Сплошной линией показаны средние значения амплитуды прошедшей волны для открытого датчика, б) Схема установки и расположения датчиков

 

Калибровка проводилась путем сопоставления расчетных значений давления на фронте ударной волны в воздухе, где основными параметрами были давление разрыва диафрагмы, давление в КНД и температура.

Нагнетание воздуха в КВД до давления 60 кПа приводит к разрыву диафрагмы из кальки, разделяющей КВД и КНД. Надо учитывать то, что фильтрация рабочего газа через диафрагму пренебрежимо мала (10 кПа). Следовательно, в КВД и в КНД не происходит уравновешивание давлений. После разрыва диафрагмы в трубе формируется ударная волна. Исследуемый пористый образец представлял собой насыпку из песчинок с небольшим разбросом по размерам в секции насыпных сред. Использовалась фракция речного песка, выделенная при продувке вентилятором. Засыпка частиц осуществлялась в месте разделения КНД и СНС, где на трубе оборудован разборный стык. Затем насыпку подвергали вибрационной утруске и выравнивали ее поверхность при помощи шеста с круглым наконечником по диаметру секции. При этом высота насыпки устанавливалась на фиксированном уровне.

 

Рис.2 – а) Микрофотография состава насыпки (ширина кадра 4,2 мм), б) Гистограмма распределения песчинок по размерам

 

Пористость насыпки определялась по стандартной методике, как и в работе[3]. Взвешивался определенный объем высушенной, уплотнённой вибрационной утруской пористой среды V₀, затем этот объем насыщался водой, и производилось взвешивание насыщенной среды. Зная массы т₀ и т₁ сухой и водонасыщенной среды соответственно, можно рассчитать массу воды, которая заняла 100% порового пространства песка объемом V₀. Также зная, что объем воды в мл (V_П0) соответствует массе воды в граммах, мы можем рассчитать коэффициент пористости среды (песка) по формуле:

       (1)

Полученная для насыпки пористость равна 35%.

Эксперименты проводились с водонасыщенным песком (90-100%). Нужно отметить, что  эксперимент со 100% насыщением песка водой осложняется наличием микропузырьков на поверхности песчинок и в зависимости от способов насыщения дает несколько различающиеся результаты. Обнаружена большая чувствительность от водонасыщенности волны  проходящей по скелету при больших концентрациях влаги, свыше 90% (Рис.3).

Рис. 3 - Зависимость амплитуды прошедшей волны от степени водонасыщенности

  При средних значениях водонасыщенности основную роль играет двухфазная газо-жидкостная система, заполняющая поровое пространство в песке. При полном водонасыщении (100%), фильтрационная и скелетная волна по форме близка к волне, которую мы фиксируем в сухом песке, свойства воздуха и воды для ударной волны оказываются идентичными. При увеличении водонасыщенности в средних значениях водонасыщенности происходит рост массы области среды, охватываемой быстрой волной, что приводит к усилению пикового давления на дне пористого образца. Экспериментально получено, что при дальнейшем росте водонасыщенности, свыше 90%, наличие отдельных пузырьков газа приводит к более интенсивному затуханию импульса.

В ходе экспериментов с водогазонасыщенным песком было установлено:

1. При увеличении газовой фазы степень ослабления волны уменьшается в 3 раза (волна проходит лучше при уменьшении водной фазы).
2. Скорость распространения ударной волны с увеличением водонасыщенности от 90% до 100% уменьшается в 3 раза.
3. Значение скорости ударной волны при 100% водонасыщенности существенно меньше скорости ударных волн в воде. Это обусловлено наличием микро пузырьков на поверхностях песчинок.

Проведенный эксперимент, может иметь практическое значение при акустической диагностике пористых сред  на процентное содержание степени водонасыщенности песков и  при оценках гашения ударных волн в насыщенных пористых структурах.

Литература

1. Ляхов Г.М. Основы динамики взрыва в грунтах и горных породах. - Моск-ва. - 1974. – C. 298.
2. Донцов В.Е., Кузнецов В.В., Накоряков В.Е. Волны давления в пористой среде, насыщенной жидкостью с пузырьками газа // Известия АН СССР. МЖГ. – 1987. - №4. – С. 85-92.
3. А.Т. Ахметов, С.В. Лукин, Д.М. Балапанов. Особенности распространения волн в песке при различной насыщенности // Труды института механики Уфимского научного центра РАН, выпуск 8, под ред. Урманчеева С.Ф.,У.: Нефтегазовое дело, 2011 г., С. 25.
4. Ю.И. Колесников, Д.А. Медных изменение акустических свойств ненагруженного влажного песка в процессе высыхания // «Акустика неоднородных сред». – Новосибирск. 2007, №124. – С. 53-57.