В статике жидкости капиллярное давление ( ) — это давление между двумя несмешивающимися жидкостями в тонкой трубке (см. капиллярное действие ), возникающее в результате взаимодействия сил между жидкостями и твердыми стенками трубки. Капиллярное давление может служить как противодействующей, так и движущей силой для транспортировки жидкости и является важным свойством для исследовательских и промышленных целей (а именно микрофлюидного проектирования и добычи нефти из пористой породы). Оно также наблюдается в природных явлениях.
Капиллярное давление определяется как:
где:
Фаза смачивания определяется по ее способности преимущественно диффундировать через стенки капилляров перед несмачивающей фазой. «Смачиваемость» жидкости зависит от ее поверхностного натяжения, сил, которые заставляют жидкость занимать минимально возможное пространство, и определяется углом контакта жидкости. [1] «Смачиваемость» жидкости можно контролировать, изменяя свойства капиллярной поверхности ( например, шероховатость, гидрофильность). Однако в системах масло-вода смачивающей фазой обычно является вода , тогда как в системах газ-нефть смачивающей фазой обычно является масло. [1] Независимо от системы, на результирующем изогнутом интерфейсе между двумя жидкостями возникает разность давлений. [2]
Формулы капиллярного давления выводятся из соотношения давления между двумя жидкими фазами в капиллярной трубке в состоянии равновесия, которое заключается в том, что сила вверх = сила вниз. Эти силы описываются как: [1]
Эти силы можно описать с помощью межфазного натяжения и угла контакта жидкостей, а также радиуса капиллярной трубки. Интересное явление, капиллярный подъем воды (как показано справа), дает хороший пример того, как эти свойства объединяются, чтобы управлять потоком через капиллярную трубку, и как эти свойства измеряются в системе. Существуют два общих уравнения, которые описывают соотношение силы вверх и силы вниз двух жидкостей в равновесии.
Уравнение Юнга–Лапласа описывает капиллярное давление с помощью силы и является наиболее часто используемой вариацией уравнения капиллярного давления: [2] [1]
где:
Формула силы прижатия для капиллярного давления выглядит следующим образом: [1]
где:
Микрофлюидика — это изучение и проектирование управления или транспортировки небольших объемов потока жидкости через пористый материал или узкие каналы для различных применений ( например, смешивание, разделение). Капиллярное давление — одна из многих характеристик, связанных с геометрией, которые можно изменять в микрофлюидном устройстве для оптимизации определенного процесса. Например, при увеличении капиллярного давления смачиваемая поверхность в канале будет тянуть жидкость через трубопровод. Это устраняет необходимость в насосе в системе и может сделать желаемый процесс полностью автономным. Капиллярное давление также можно использовать для блокировки потока жидкости в микрофлюидном устройстве.
Капиллярное давление в микроканале можно описать как:
где:
Таким образом, капиллярное давление может быть изменено путем изменения поверхностного натяжения жидкости, контактных углов жидкости или глубины и ширины каналов устройства. Чтобы изменить поверхностное натяжение, можно нанести поверхностно-активное вещество на стенки капилляров. Контактные углы изменяются при внезапном расширении или сжатии внутри каналов устройства. Положительное капиллярное давление представляет собой клапан на потоке жидкости, тогда как отрицательное давление представляет собой жидкость, втягиваемую в микроканал. [3]
Методы проведения физических измерений капиллярного давления в микроканале не были тщательно изучены, несмотря на необходимость точных измерений давления в микрофлюидике. Основная проблема с измерением давления в микрофлюидных устройствах заключается в том, что объем жидкости слишком мал для использования в стандартных инструментах измерения давления. В некоторых исследованиях было представлено использование микробаллонов, которые являются датчиками давления, изменяющими размер. Сервообнуление, которое исторически использовалось для измерения артериального давления, также было продемонстрировано для предоставления информации о давлении в микрофлюидных каналах с помощью системы управления LabVIEW. По сути, микропипетка погружается в жидкость микроканала и программируется на реагирование на изменения в мениске жидкости. Смещение в мениске жидкости в микропипетке вызывает падение напряжения, которое запускает насос для восстановления исходного положения мениска. Давление, оказываемое насосом, интерпретируется как давление внутри микроканала. [4]
Текущие исследования в области микрофлюидики сосредоточены на разработке диагностики в месте оказания помощи и методов сортировки клеток (см. lab-on-a-chip ), а также на понимании поведения клеток ( например, рост клеток, старение клеток). В области диагностики тест бокового потока является распространенной платформой микрофлюидных устройств, которая использует капиллярные силы для перемещения жидкости через пористую мембрану. Самым известным тестом бокового потока является домашний тест на беременность , в котором телесная жидкость сначала смачивает, а затем протекает через пористую мембрану, часто целлюлозу или стекловолокно, достигая линии захвата, чтобы указать на положительный или отрицательный сигнал. Преимуществом этой конструкции и нескольких других микрофлюидных устройств является ее простота (например, отсутствие вмешательства человека во время работы) и низкая стоимость. Однако недостатком этих тестов является то, что капиллярное действие невозможно контролировать после его начала, поэтому время теста нельзя ускорить или замедлить (что может создать проблему, если во время потока жидкости должны происходить определенные зависящие от времени процессы). [5]
Другим примером работы в месте оказания помощи, включающей компонент дизайна, связанный с капиллярным давлением, является отделение плазмы от цельной крови путем фильтрации через пористую мембрану. Эффективное и объемное отделение плазмы от цельной крови часто необходимо для диагностики инфекционных заболеваний, например, для теста на вирусную нагрузку ВИЧ. Однако эта задача часто выполняется с помощью центрифугирования, что ограничивается клиническими лабораторными условиями. Примером этого устройства фильтрации в месте оказания помощи является фильтр с насадочным слоем, который продемонстрировал способность отделять плазму от цельной крови, используя асимметричные капиллярные силы в порах мембраны. [6]
Капиллярное давление играет жизненно важную роль в извлечении подземных углеводородов (таких как нефть или природный газ) из-под пористых пород-коллекторов. Его измерения используются для прогнозирования насыщенности пластовой жидкостью и емкости покрышки-порода, а также для оценки данных относительной проницаемости (способности жидкости транспортироваться в присутствии второй несмешивающейся жидкости). [7] Кроме того, было показано, что капиллярное давление в пористых породах влияет на фазовое поведение пластовых жидкостей, тем самым влияя на методы извлечения и восстановления. [8] Крайне важно понимать эти геологические свойства пласта для его разработки, добычи и управления ( например, насколько легко извлекать углеводороды).
[ сомнительно – обсудить ] Разлив нефти Deepwater Horizon является примером того, почему капиллярное давление имеет важное значение для нефтехимической промышленности . Считается, что после взрыва нефтяной платформы Deepwater Horizon в Мексиканском заливе в 2010 году метановый газ прорвался через недавно установленную герметизацию и расширился вверх и из платформы. Хотя исследования капиллярного давления (или потенциальное отсутствие таковых) не обязательно лежат в основе этого конкретного разлива нефти, измерения капиллярного давления дают важную информацию для понимания свойств резервуара, которые могли повлиять на инженерные решения, принятые в случае с Deepwater Horizon. [9]
Капиллярное давление, как это видно в нефтяной инженерии, часто моделируется в лаборатории, где оно регистрируется как давление, необходимое для вытеснения некоторой смачивающей фазы несмачивающей фазой для установления равновесия. [10] Для справки, капиллярное давление между воздухом и рассолом (что является важной системой в нефтехимической промышленности), как было показано, находится в диапазоне от 0,67 до 9,5 МПа. [11] Существуют различные способы прогнозирования, измерения или расчета отношений капиллярного давления в нефтегазовой промышленности. К ним относятся следующие: [7]
J-функция Леверетта служит для установления связи между капиллярным давлением и структурой пор (см. J-функция Леверетта ).
Этот метод хорошо подходит для нерегулярных образцов горных пород ( например, тех, которые находятся в буровом шламе) и обычно используется для понимания связи между капиллярным давлением и пористой структурой образца. [12] В этом методе поры образца горной породы откачиваются, после чего поры заполняются ртутью с возрастающим давлением. Между тем, объем ртути при каждом заданном давлении регистрируется и представляется как распределение размеров пор или преобразуется в соответствующие данные по нефти/газу. Одним из недостатков этого метода является то, что он не учитывает взаимодействия жидкости с поверхностью. Однако весь процесс инъекции ртути и сбора данных происходит быстро по сравнению с другими методами. [7]
Метод пористой пластины — это точный способ понять соотношение капиллярного давления в системах жидкость-воздух. В этом процессе образец, насыщенный водой, помещается на плоскую пластину, также насыщенную водой, внутри газовой камеры. Газ впрыскивается при возрастающем давлении, таким образом вытесняя воду через пластину. Давление газа представляет собой капиллярное давление, а количество воды, выброшенной из пористой пластины, коррелирует с водонасыщенностью образца. [7]
Метод центрифуги основан на следующем соотношении между капиллярным давлением и силой тяжести: [7]
где:
Центробежная сила по сути служит в качестве приложенного капиллярного давления для небольших испытательных пробок, часто состоящих из рассола и нефти. В процессе центрифугирования заданное количество рассола вытесняется из пробки при определенных центробежных скоростях вращения. Стеклянная пробирка измеряет количество жидкости по мере ее вытеснения, и эти показания приводят к кривой, которая связывает скорости вращения с объемами дренажа. Скорость вращения коррелирует с капиллярным давлением с помощью следующего уравнения:
где:
Основными преимуществами этого метода являются его быстрота (получение кривых за несколько часов) и отсутствие ограничений на выполнение при определенных температурах. [13]
Другие методы включают метод давления пара, метод гравитационного равновесия, динамический метод, полудинамический метод и переходный метод.
В дополнение к измерению капиллярного давления в лабораторных условиях для моделирования давления в нефтяном/газовом резервуаре, существует несколько соотношений для описания капиллярного давления с учетом конкретных условий породы и добычи. Например, RH Brooks и AT Corey разработали соотношение для капиллярного давления во время дренирования нефти из пористой среды, насыщенной нефтью, в которую проникает газ: [14]
где:
Кроме того, Р. Г. Бентсен и Дж. Анли разработали корреляцию для капиллярного давления во время дренажа из пористого образца породы, в котором нефтяная фаза вытесняет насыщенную воду: [15]
где:
Было показано, что поскольку симуляторы резервуаров используют данные о капиллярном давлении первичного дренажа для расчетов моделирования высоты насыщения, данные о капиллярном давлении первичного дренажа должны быть усреднены таким же образом, как усредняются водонасыщенности. Кроме того, поскольку симуляторы резервуаров используют данные о капиллярном давлении впитывания и вторичного дренажа для расчетов вытеснения жидкостей, эти капиллярные давления не должны быть усреднены, как данные о капиллярном давлении первичного дренажа. Их можно усреднить с помощью J-функции Леверетта . Уравнения усреднения следующие [16]
где — количество образцов керна, — эффективная пористость, — общий объем образца, — данные о первичном дренажном капиллярном давлении в зависимости от нормализованной водонасыщенности.
где - количество образцов керна, - эффективная пористость, - абсолютная проницаемость, - межфазное натяжение или IFT, и - данные капиллярного давления впитывания или вторичного дренажа в зависимости от нормализованной водонасыщенности.
Помимо того, что капиллярное давление используется в медицинских и энергетических целях, оно также является причиной различных природных явлений. Например, игольчатый лед , наблюдаемый в холодной почве, возникает из-за капиллярного действия . Первые крупные вклады в изучение игольчатого льда или просто морозного пучения были сделаны Стивеном Табером (1929) и Гуннаром Бесковым (1935), которые независимо друг от друга стремились понять замерзание почвы. Первоначальная работа Табера была связана с пониманием того, как размер пор в почве влияет на величину морозного пучения. Он также обнаружил, что морозное пучение благоприятно для роста кристаллов и что градиент натяжения почвенной влаги направляет воду вверх к фронту промерзания вблизи верхней части земли. [17] В своих исследованиях Бесков определил это натяжение почвенной влаги как «капиллярное давление» (а почвенную воду как «капиллярную воду»). Бесков определил, что тип почвы и эффективное напряжение на частицах почвы влияют на морозное пучение, где эффективное напряжение представляет собой сумму давления сверху земли и капиллярного давления. [18]
В 1961 году Д. Х. Эверетт подробно остановился на исследованиях Табера и Бескова, чтобы понять, почему поры, заполненные льдом, продолжают расти. Он использовал принципы термодинамического равновесия, модель поршневого цилиндра для роста льда и следующее уравнение для понимания замерзания воды в пористой среде (непосредственно применимое к образованию игольчатого льда):
где:
С помощью этого уравнения и модели Эверетт отметил поведение воды и льда при различных условиях давления на границе раздела твердое тело-жидкость. Эверетт определил, что если давление льда равно давлению жидкости под поверхностью, рост льда не может продолжаться в капилляре. Таким образом, при дополнительной потере тепла для воды наиболее благоприятно перемещаться вверх по капилляру и замерзать в верхнем цилиндре (поскольку игольчатый лед продолжает расти поверх себя над поверхностью почвы). По мере увеличения давления льда возникает изогнутая граница раздела между твердым телом и жидкостью, и лед либо растает, либо равновесие будет восстановлено, так что дальнейшая потеря тепла снова приведет к образованию льда. В целом Эверетт определил, что вспучивание при замерзании (аналогично развитию игольчатого льда) происходит как функция размера пор в почве и энергии на границе раздела льда и воды. К сожалению, недостатком модели Эверетта является то, что он не учитывал влияние частиц почвы на поверхность. [19] [20]
Капилляры в кровеносной системе жизненно важны для обеспечения питательными веществами и выведения отходов по всему телу. В капиллярах существуют градиенты давления (из-за гидростатического и онкотического давления ), которые контролируют кровоток на уровне капилляров и в конечном итоге влияют на процессы капиллярного обмена ( например, поток жидкости). [21] Из-за ограничений в технологии и структуре тела большинство исследований капиллярной активности проводятся в сетчатке, губах и коже, исторически с помощью канюляции или системы сервообнуления. Капилляроскопия использовалась для визуализации капилляров в коже в 2D, и, как сообщается, наблюдался средний диапазон капиллярного давления от 10,5 до 22,5 мм рт. ст. у людей и повышение давления у людей с диабетом 1 типа и гипертонией . По сравнению с другими компонентами кровеносной системы капиллярное давление низкое, чтобы избежать разрыва, но достаточное для облегчения капиллярных функций. [22]
{{cite book}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite journal}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite journal}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite journal}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite journal}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite journal}}
: Цитировать журнал требует |journal=
( помощь )