Transporte y dispersión de un contaminante en fracturas con un flujo oscilante

ROHT, Y.L.

San Juan

Congreso; I CONGRESO BINACIONAL DE INVESTIGACIÓN CIENTÍFICA; 2017

Las formaciones geológicas fracturadas pueden ser encontradas en numerosos sitios en todo el planeta. Se entiende por fractura todo tipo de fisuras, rupturas o fallas generadas en la roca, más allá del evento geológico que les dio origen, orientación y características específicas. Una fractura única está constituida por el espacio vacío delimitado entre dos superficies, generalmente rugosas. Las propiedades estructurales de los medios fracturados, porosos o no, dependerán fuertemente de la escala de longitud considerada. Estas escalas juegan un rol crítico en las propiedades del transporte de flujos a través de los mismos. Además, podemos encontrar estructuras artificiales de diferentes tamaños con fracturas o conductos hidráulicos de geometrías similares a las de las rocas, como por ejemplo en ingeniería civil, ingeniería química y microfluídica, entre otros.El objetivo de este estudio es comprender las leyes que gobiernan el transporte y dispersión de un contaminante (soluto) con un flujo oscilante en medios fracturados. La dispersión hidrodinámica, es decir, el esparcimiento de un soluto transportado por un flujo, resultará de la combinación entre la difusión del mismo y las variaciones espaciales y/o temporales de la velocidad local de su desplazamiento; por lo tanto, será función del tipo de flujo, de la geometría del medio y de las propiedades de los fluidos. El fenómeno de dispersión está dominado por diferentes mecanismos dependiendo principalmente de la velocidad del flujo. A velocidades bajas, predomina la difusión molecular, la cual está asociada al flujo de materia desde una parte del sistema de mayor concentración a otra de menor concentración, como resultado de movimientos moleculares aleatorios [Bear]. Para velocidades intermedias, se combinan los efectos de la convección del flujo (perfil de velocidad) y de la difusión molecular transversal, obteniendo la denominada dispersión de Taylor [Taylor (1953), Aris]. Por otro lado, cuando hay variaciones del campo de velocidades locales debido a una estructura aleatoria del medio, existe un pasaje de partículas de trazador de un canal de flujo a otro, obteniendo una mezcla caracterizada por la dispersión geométrica [Saffman]. De esta manera, se puede considerar a la dispersión hidrodinámica como una forma particular de mezclar un soluto en presencia de un flujo, y además, permite obtener información de la estructura local del medio, a través de la estructura del campo de velocidades local.Una de las grandes motivaciones por las cuales trabajamos con flujos oscilantes, es estudiar si es posible obtener mezclas similares a las de un flujo que recorre grandes distancias, simplemente oscilando el flujo periódicamente. De esta forma, se introducirán nuevos parámetros de control como la amplitud y el período de la oscilación. Sin embargo, cuando se trabaja a muy bajos números de Reynolds, los flujos son teóricamente reversibles [Taylor (1966)], es decir, al realizar la inversión, el campo de velocidades v para todo punto se transforma en ?v.Comenzaremos estudiando la dispersión hidrodinámica de un contaminante, modelando al mismo con un trazador pasivo (sin reacción química) en un flujo oscilante de un fluido newtoniano, en una fractura modelo simple: una celda de paredes lisas con una apertura constante (Hele-Shaw), para simular un canal de flujo. Luego, trabajaremos con una estructura más realista del medio: con presencia de heterogeneidades, a partir de una distribución aleatoria de obstáculos entre las paredes de la celda, induciendo variaciones de la velocidad en el plano de la fractura.Se realizó un estudio experimental el cual nos permitió cuantificar la dispersión desde un punto de vista global, a través de la visualización y medición de la concentración media del trazador en el espesor de la celda.Esto nos permite, por un lado, caracterizar la influencia de los parámetros característicos del flujo: el período T y la amplitud A de las oscilaciones, y el tiempo característico de difusión molecular sobre el espesor τ_m, sobre el proceso de mezcla, y por el otro, estimar los efectos de la reversibilidad del desplazamiento sobre el fenómeno