نويد نعيمي

مدل­سازي عددي جريان مخلوط خاک رس-آب ( بنتونيت)  با روش SPH

چكيده

عمليات حفاري با تاريخ تمدن بشر شکل گرفته و با توسعه­ي صنعت، به‌تدريج تکامل يافته است و به‌صورت يک صنعت عظيم درآمده است. واژه­ي حفاري، به معناي نفوذ در سنگ و به­منظور حفره در داخل لايه­هاي زمين است. يکي از مسايل و مشکلاتي که در زمينه­ي احداث سد­هاي خاکي، حفاري­ها، راه­سازي و... به چشم مي­خورد، کنترل نشت و تراوش آب است. در سد­سازي به‌خصوص در سد­هاي خاکي به منظور کنترل تراوش آب از اتصال پي سد با بدنه و تراوش آب از بدنه­ي سد، از يک ديوار آب­بند استفاده مي­شود. اين ديوار آب­بند به صورت بتن پلاستيک و پانل­هاي مجزا اجرا مي­شود. به‌منظور پايدار سازي جداره در حفاري شمع­هاي درجا، از ملات سيمان و بنتونيت استفاده مي­شود. از ديگر مزاياي بنتونيت مي­توان به خنک نگه­داشتن مته­ي حفاري و عمل روان­سازي حرکت مته اشاره کرد. استفاده­ از سيال بنتونيت (مخلوط آب و خاک رس) در حفاري‌ها در گرو شناخت رفتار حرکتي و مقاومتي جريان سيال بنتونيت در حفره‌هاي موجود در لايه­هاي زمين است. به‌عبارتي ديگر، ميزان رواني و کارايي بنتونيت ارتباط مستقيمي با خصوصيات رئولوژي آن دارد. آزمايش قيف مارش به بررسي رواني وکارايي سيال بنتونيت مي­پردازد. در اين آزمايش باتوجه به جنس لايه­هاي زمين و ملاحظات اجرايي، مدت زمان تخليه­ي حجم معيني از سيال بنتونيت از قيف مارش، به­عنوان لزجت سيال ثبت مي­شود. رفتار فيزيکي سيال بنتونيت، اغلب به­صورت سيال غيرنيوتني است. مدل‌هاي متنوعي براي بيان مدل رفتاري سيالات غيرنيوتني ارايه شده ­است كه تعدادي از اين مدل­ها شامل مدل بينگهام، مدل هرشل- بالکلي و مدل کيسن اشاره کرد.

 مطابق با آيين­نامه­ي API-13A ، سيال حفاري مي­بايست پس از 24 ساعت بعد از زمان ساخت استفاده شود و درصد ذرات جامد بنتونيت در آب در حدود 3-10 درصد وزني آب باشد.  در تحقيق حاضر، ابتدا با ساخت نمونه­هاي 5، 7 و10 درصدي از سيال بنتونيت و با استفاده از دستگاه ويسکومتر (HAKKE RV12)، اثر گذر زمان هيدراسيون بر خصوصيات رئولوژي سيال بنتونيت بررسي ­شده است. با مقايسه­ي خصوصيات رئولوژي نمونه­هاي مختلف بنتونيت، نشان داده شده است که با گذشت زمان، تنش تسليم نمونه­ها ابتدا با افزايش چشم­گيري همراه است و در ادامه با گذشت زمان بيشتر، تنش تسليم نمونه­ها کاهش پيدا مي­کند. همچنين، لزجت نمونه­ها با گذشت زمان تغيير نکرده و ثابت باقي مي­ماند. با انتخاب نمونه­هايي از ملات سيمان و سيال بنتونيت آزمايش شکست سد انجام شد. پروفيل سطح جريان در زمان‌هاي مختلف بعد از بازشدن دريچه و ديگر اطلاعات مربوط به اين آزمايش با استفاده از پردازش تصوير (نرم­افزار متلب) به‌دست آمده است. با استفاده از شبيه­سازي عددي SPH  (روش عددي بدون شبکه­ و لاگرانژي) و با فرض رفتار غيرنيوتني مدل کيسن براي سيال بنتونيت، صحت‌سنجي نتايج عددي و نمونه­هاي آزمايش شکست سد انجام شده است. شبيه‌سازي­ شکست سد در حالت‌هاي آرام و آشفته انجام شده است. نتايج مدل­سازي، نشان داده­است که براي مساله­ي شکست سد انجام شده، شبيه­سازي عددي جريان آشفته و آرام مشابه يکديگر است و هر دو مدل با نتايج آزمايشگاهي همخواني دارد. مقايسه­ي نتايج آزمايشگاهي و شبيه­سازي شکست سد، حکايت از توانمند بودن روش عددي SPH براي شبيه­سازي مسايل با سطح آزاد و داراي تغيير شکل زياد است.   در انتها دو مدل از شبيه­سازي دوبعدي جريان آب در قيف مارش  ارايه شده است. نتايج شبيه­سازي زمان تخليه­ي آب از قيف مارش، مطابقت خوبي با نتايج تحليلي داشته و از اين روش عددي مي­توان براي محاسبه­ي زمان تخليه­ي سيال استفاده کرد.