مدل سازی آزمایشگاهی و عددی جریان مخلوط آب و خاک رس به روش sph
چکیده
عملیات حفاری با تاریخ تمدن بشر شکل گرفته و با توسعه ی صنعت، به تدریج تکامل یافته است و به صورت یک صنعت عظیم درآمده است. واژه ی حفاری، به معنای نفوذ در سنگ و به منظور حفره در داخل لایه های زمین است. یکی از مسایل و مشکلاتی که در زمینه ی احداث سد های خاکی، حفاری ها، راه سازی و... به چشم می خورد، کنترل نشت و تراوش آب است. در سد سازی بهخصوص در سد های خاکی به منظور کنترل تراوش آب از اتصال پی سد با بدنه و تراوش آب از بدنه ی سد، از یک دیوار آب بند استفاده می شود. این دیوار آب بند به صورت بتن پلاستیک و پانل های مجزا اجرا می شود. به منظور پایدار سازی جداره در حفاری شمع های درجا، از ملات سیمان و بنتونیت استفاده می شود. از دیگر مزایای بنتونیت می توان به خنک نگه داشتن مته ی حفاری و عمل روان سازی حرکت مته اشاره کرد. استفاده از سیال بنتونیت (مخلوط آب و خاک رس) در حفاری ها در گرو شناخت رفتار حرکتی و مقاومتی جریان سیال بنتونیت در حفره های موجود در لایه های زمین است. به عبارتی دیگر، میزان روانی و کارایی بنتونیت ارتباط مستقیمی با خصوصیات رئولوژی آن دارد. آزمایش قیف مارش به بررسی روانی وکارایی سیال بنتونیت می پردازد. در این آزمایش باتوجه به جنس لایه های زمین و ملاحظات اجرایی، مدت زمان تخلیه ی حجم معینی از سیال بنتونیت از قیف مارش، به عنوان لزجت سیال ثبت می شود. رفتار فیزیکی سیال بنتونیت، اغلب به صورت سیال غیرنیوتنی است. مدل های متنوعی برای بیان مدل رفتاری سیالات غیرنیوتنی ارایه شده است که تعدادی از این مدل ها شامل مدل بینگهام، مدل هرشل- بالکلی و مدل کیسن اشاره کرد. مطابق با آیین نامه ی api-13a ، سیال حفاری می بایست پس از 24 ساعت بعد از زمان ساخت استفاده شود و درصد ذرات جامد بنتونیت در آب در حدود 3-10 درصد وزنی آب باشد. در تحقیق حاضر، ابتدا با ساخت نمونه های 5، 7 و10 درصدی از سیال بنتونیت و با استفاده از دستگاه ویسکومتر (hakke rv12)، اثر گذر زمان هیدراسیون بر خصوصیات رئولوژی سیال بنتونیت بررسی شده است. با مقایسه ی خصوصیات رئولوژی نمونه های مختلف بنتونیت، نشان داده شده است که با گذشت زمان، تنش تسلیم نمونه ها ابتدا با افزایش چشم گیری همراه است و در ادامه با گذشت زمان بیشتر، تنش تسلیم نمونه ها کاهش پیدا می کند. همچنین، لزجت نمونه ها با گذشت زمان تغییر نکرده و ثابت باقی می ماند. با انتخاب نمونه هایی از ملات سیمان و سیال بنتونیت آزمایش شکست سد انجام شد. پروفیل سطح جریان در زمان های مختلف بعد از بازشدن دریچه و دیگر اطلاعات مربوط به این آزمایش با استفاده از پردازش تصویر (نرم افزار متلب) به دست آمده است. با استفاده از شبیه سازی عددی sph (روش عددی بدون شبکه و لاگرانژی) و با فرض رفتار غیرنیوتنی مدل کیسن برای سیال بنتونیت، صحت سنجی نتایج عددی و نمونه های آزمایش شکست سد انجام شده است. شبیه سازی شکست سد در حالت های آرام و آشفته انجام شده است. نتایج مدل سازی، نشان داده است که برای مساله ی شکست سد انجام شده، شبیه سازی عددی جریان آشفته و آرام مشابه یکدیگر است و هر دو مدل با نتایج آزمایشگاهی همخوانی دارد. مقایسه ی نتایج آزمایشگاهی و شبیه سازی شکست سد، حکایت از توانمند بودن روش عددی sph برای شبیه سازی مسایل با سطح آزاد و دارای تغییر شکل زیاد است. در انتها دو مدل از شبیه سازی دوبعدی جریان آب در قیف مارش ارایه شده است. نتایج شبیه سازی زمان تخلیه ی آب از قیف مارش، مطابقت خوبی با نتایج تحلیلی داشته و از این روش عددی می توان برای محاسبه ی زمان تخلیه ی سیال استفاده کرد.