Dòng thấm và truyền sóng trong cấu trúc rỗng có xét đến chuyển pha

Với mục đích nghiên cứu những điểm đặc biệt của các quá trình truyền sóng, thủy động lực học và trao đổi nhiệt-chất của dòng chảy hai pha có chuyển pha trong môi trường có cấu trúc rỗng, Viện Cơ học thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã phối hợp cùng Viện Cơ học Lý thuyết và Ứng dụng mang tên Khristianovich thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Liên bang Nga thực hiện đề tài: “Dòng thấm và truyền sóng trong cấu trúc rỗng có xét đến chuyển pha”, mã số: VAST.HTQT.NGA.01/17-18, từ năm 2017 đến năm 2018 do GS. TSKH. Dương Ngọc Hải làm chủ nhiệm phía Việt Nam và GS. TSKH. VS. A.A. Gubaidullin chủ nhiệm thực hiện phía Nga.

Trong quá trình thực hiện nhiệm vụ trên, nhóm tác giả đã áp dụng các phương pháp mô hình hóa, nghiên cứu giải tích, tính toán số. Các mô hình lý thuyết (toán học, cơ học, vật lý…) được xây dựng dựa trên các nghiên cứu lý thuyết và thử nghiệm. Từ đó, các nghiên cứu phân tích tìm nghiệm giải tích và nghiệm xấp xỉ sử dụng các phương pháp giải số được thực hiện. Trên cơ sở các lời giải thu nhận được, các nghiên cứu vật lý về ứng xử của các dạng dòng thấm và truyền sóng trong cấu trúc rỗng có xét đến chuyển pha được thực hiện, để nghiên cứu bài toán cơ học hệ thống nhiều pha xây dựng mô hình toán học, phân tích kết quả theo các nội dung nghiên cứu, cụ thể:

• Nghiên cứu vấn đề bơm ép dùng dioxit carbon có xét đến sự hình thành hydrate.
• Nghiên cứu một số vấn đề về truyền sóng trong hỗn hợp lỏng khí.
• Nghiên cứu chuyển động của vật thể trong lòng chất lỏng khi có khoang hơi.

Bằng những căn cứ nghiên cứu về lý thuyết và thử nghiệm trên, đề tài đã thu được những kết quả nổi bật, cụ thể:

Về vấn đề bơm ép dầu khí có xét đến sự hình thành CO₂ hydrate, các tính toán được thực hiện để xác định lưu lượng tới hạn Q_cr của dòng CO₂ được bơm ép vào vỉa dầu khí. Trên hình vẽ, chế độ hình thành CO₂ hydrate theo độ thấm tuyệt đối cho các giá trị độ bão hòa nước ban đầu khác nhau được thể hiện.

Hình 1. Sự phụ thuộc của lưu lượng tới hạn Qcr theo độ thấm tuyệt đối của vỉa k0 cho các giá trị độ bão hòa nước ban đầu Sw0 khác nhau. Đường cong 1 và 2 tương ứng với độ bão hòa nước ban đầu của vỉa Sw0 bằng 0.10 và 0.11.

Hình 1 thể hiện sự phụ thuộc của Q_cr theo độ thấm tuyệt đối của vỉa. Có thể thấy rằng, khi độ thấm tăng lên, lưu lượng tới hạn của dòng tăng theo và tăng nhanh hơn khi độ bão hòa nước ban đầu của vỉa tăng cao. Điều này có nghĩa là chế độ với sự mở rộng vùng hình thành CO₂ hydrate xảy ra trong các vỉa có độ thấm cao cũng như trong các trường hợp khi độ bão hòa nước ban đầu cao.

Nguyên nhân của hiện tượng này, một mặt là do sự gia tăng độ thấm khi lưu lượng khối không thay đổi yêu cầu giảm áp suất giếng, điều này kéo theo sự suy giảm áp suất vỉa. Mặt khác, tăng độ bão hòa nước ban đầu của vỉa dẫn đến sự gia tăng nhiệt thoát ra trên biên chuyển pha và tương ứng, nhiệt độ vỉa và áp suất bão hòa của quá trình hình thành hydrate tăng theo. Bởi vậy, trong các trường hợp độ thấm vỉa và độ bão hòa nước ban đầu cao, nguyên nhân của sự mở rộng vùng hydrate là do áp suất tại biên chuyển pha thấp hơn áp suất bão hòa của sự hình thành CO₂ hydrate.

Về truyền sóng trong môi trường rỗng chứa hỗn hợp chất lỏng và bọt khí mêtan, hình 2 dưới đây thể hiện ảnh hưởng của tỉ phần khí α_g lên áp suất p trong chất lỏng và ứng suất toàn phần α trong sóng lan truyền từ chất lỏng vào môi trường rỗng. Bán kính bọt khí là 0.25mm, x=5cm.

Hình 2. Ảnh hưởng của tỉ phần khí (α_g=0.004, đường nét liền, và α_g=0.008, đường cong nét đứt) lên áp suất p trong chất lỏng và ứng suất toàn phần α trong sóng lan truyền từ chất lỏng vào môi trường rỗng. Bán kính bọt khí là 0.25mm, x=5cm.

Khi đi qua môi trường rỗng, xung ban đầu chia thành sóng nhanh (sóng biến dạng) và sóng chậm (sóng trong chất lỏng chứa bọt) như thể hiện trong hình 2. Trong sóng nhanh, ứng suất toàn phần α đơn điệu tăng, trong sóng chậm, có thể nhận thấy sự tăng dần của áp suất lỗ rỗng và dao động giảm dần. Sự lan truyền của sóng nhanh và sóng chậm đi kèm với sự tăng nhiệt độ bọt khí.

Các dao động của áp suất, ứng suất và nhiệt độ khí trong sóng chậm có liên quan tới xung dao động của bọt khí. Với sự tăng lên về tỉ phần khí như thể hiện trong hình 2, vận tốc của sóng chậm trong môi tường rỗng giảm xuống. Kết quả là, với tỉ phần khí tăng, sự tăng áp suất khi sóng đi vào môi trường rỗng chậm hơn. Phân tích kết quả tính toán đã cho thấy, cường độ của sóng ban đầu tăng thì cường độ của xung dao động tăng. Với cân bằng áp suất cân bằng ban đầu của môi trường rỗng tăng lên, vận tốc của sóng nhanh và sóng chậm tăng theo.

Về chuyển động của vật thể trong chất lỏng khi có khoang hơi, hình 3 dưới đây thể hiện sự thay đổi hình dạng khoang hơi khi σ = 0.36 tại một số thời điểm cùng với trường véc tơ vận tốc dòng chảy và phân bố của γ trên mặt cắt Z = 0 mm để phân tích tương quan giữa sự xuất hiện của các xoáy rối và sự thay đổi của hình dạng khoang hơi.

Hình 3. Khoang hơi quanh quả cầu ở các thời điểm t = 0.35ms (a – khoang hơi chưa bị xoáy rối tác động), 2.45ms (b – xoáy rối xuất hiện làm thay đổi hình dạng bề mặt phân tách lỏng - hơi) và 2.85ms (c – xoáy rối cuốn hơi khỏi khoang hơi tạo thành bọt hơi nhỏ hơn) với σ = 0.36

Đường cong nét liền trên hình 3 thể hiện đường dòng theo các véc tơ vận tốc của dòng chảy tiếp tuyến với mặt phân tách lỏng - hơi và đi tới điểm đình trệ của dòng chảy (stagnation point) ở phía sau khoang hơi, nơi khoang hơi biến mất.

Từ điểm đình trệ của dòng, theo trường véc tơ một dòng chảy có hướng ngược với chiều dòng chảy ngoài đi vào bên trong khoang hơi tạo thành dòng chảy ngược (re-entrant jet). Sự phân bố vận tốc như vậy phù hợp với lý thuyết.

Những kết quả này cho thấy, trường vận tốc dòng chảy được OpenFOAM tính toán phù hợp với lý thuyết. Hình 3b và c cho ta thấy được sự ảnh hưởng của các xoáy rối đến hình dạng của khoang hơi. Đường cong dạng elip trên Hình 3b cho ta thấy sự xuất hiện của một xoáy rối nhỏ đang làm thay đổi hình dạng của khoang hơi. Sau đó, xoáy rối này đã mang một lượng hơi ra khỏi khoang hơi ban đầu và tạo thành một bọt hơi nhỏ hơn (Hình 3c). Như vậy, sự xuất hiện của các xoáy rối là một nguyên nhân trực tiếp dẫn đến sự không ổn định của hình dạng và kích thước khoang hơi. Để hiểu rõ hơn tác động của các xoáy rối đến khoang hơi cần những nghiên cứu tiếp theo sâu hơn.

Trong quá trình hợp tác thực hiện nhiệm vụ, Viện Cơ học (thuộc VAST) cùng Viện Hàn lâm Khoa học Liên bang Nga đã tổ chức 02 đoàn công tác của đối tác Nga sang Việt Nam và 01 đoàn công tác của phía Việt Nam sang Nga để trao đổi nội dung, kết quả nghiên cứu từ hai phía.

Các kết quả nghiên cứu của đề tài đã được công bố trên 5 bài báo, bao gồm: 01 bài tạp chí quốc tế danh mục SCI; 01 bài tạp chí của Viện Hàn lâm KHCN VN VAST; 01 bài Hội nghị khoa học Quốc tế; 02 bài Hội nghị khoa học Toàn quốc. Về kết quả đào tạo, nhiệm vụ đã hỗ trợ đào tạo 01 Thạc sĩ ngành Cơ kỹ thuật và 02 Kỹ sư ngành Cơ kỹ thuật.

Một số bài báo cụ thể:

1. Shagapov, V. S., Khasanov, M. K., Musakaev, N. G., & Duong, N. H. (2017). “Theoretical research of the gas hydrate deposits development using the injection of carbon dioxide”. International Journal of Heat and Mass Transfer, 107, 347-357.

2. Gubaidullin, A. A., Musakaev, N. G., Hai, D. N., Borodin, S. L., Thai, N. Q., & Thang, N. T. (2018). “Theoretical modeling of the carbon dioxide injection into the porous medium saturated with methane and water taking into account the CO2 hydrate formation”. Vietnam Journal of Mechanics, 40(3), 233-242.

3. A.A. Gubaidullin, O.Yu. Boldyreva, Duong Ngoc Hai, D.N. Dudko, N.G. Musakaev, Nguyen Tat Thang, Nguyen Quang Thai (2018),” Pressure wave propagation in porous structure saturated with water and methane bubbles” Proceedings of International Conference of Fluid Machinery and Automation Systems- ICFMAS2018, ISBN: 978-604-95-0609-3, pp. 574-577.

4. Nguyễn Văn Tuấn, Lê Thu Thủy (2017) “Một số kết quả nghiên cứu về sự tăng áp suất trên van và vận tốc lan truyền của sóng trong dòng chảy hai pha”. Tuyển tập Công trình Hội nghị khoa học Cơ học Thủy khí toàn quốc lần thứ 19, ISBN: 978-604-95-0226-2. Tr. 677-684.

5. Dương Ngọc Hải, Nguyễn Quang Thái, A.A. Gubaidullin, Nguyễn Tất Thắng, N.G. Musakaev (2017), “OpenFOAM và ứng dụng trong tính toán động lực học dòng chảy có chuyển pha”. Tuyển tập Hội nghị Cơ học toàn quốc lần thứ X - Tập 3. Cơ học Thủy khí. Hà Nội, ISBN: 978-604-913-752-5, trang 53-60.

Ngày 30/1/2019, Hội đồng nghiệm thu cấp Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã họp nghiệm thu nhiệm vụ và đánh giá nhiệm vụ xếp loại xuất sắc.

Các kết quả nghiên cứu của đề tài vừa có ý nghĩa lý thuyết vừa có ý nghĩa thực nghiệm khi được áp dụng trong phân tích đánh giá các đặc tính chuyển động, truyền sóng, ứng dụng trong khai thác dầu khí, năng lượng,… Qua quá trình nghiên cứu, thực hiện nhiệm vụ, nhiều vấn đề về dòng chảy, về truyền sóng trong môi trường rỗng có xét tới chuyển pha từng bước được tìm hiểu và làm rõ. Tuy nhiên, cũng còn nhiều vấn đề cần được tiếp tục nghiên cứu. Dòng chảy, truyền sóng trong cấu trúc rỗng có xét đến chuyển pha là một lĩnh vực khó, có nhiều ý nghĩa khoa học và ứng dụng kỹ thuật thực tế. Vì vậy, thực hiện những tính toán, mô hình hóa, mô phỏng số, tiếp tục nghiên cứu về các vấn đề nhiệt thủy động lực học cần được tiếp tục tiến hành.

Ngoài ra, đề tài cũng đã góp phần thúc đẩy mối quan hệ hợp tác tốt đẹp giữa Việt Nam - Liên bang Nga đặc biệt trong lĩnh vực nghiên cứu khoa học, phát triển công nghệ cao và đào tạo.

Nguồn: Viện Hàn Lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam

Ảnh bìa: Internet