SUPERVISOR
Mohammad-Reza Chamani,Mohsen Saghafian
محمدرضا چمنی (استاد راهنما) محسن ثقفیان (استاد مشاور)
STUDENT
Navid Naeimi
نوید نعیمی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی عمران
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1388
TITLE
Experimental and Numerical Modeling of Clay-Water Mixture Flow (Bentonite) with SPH Method
Drilling is dated back to early civilization and with industrial development, it becomes an important technology. The term drilling refers to the penetration in stone for making hole in the ground strata. One of the problems for earth dam, drilling, road construction is to control the seepage. In the construction of dams, particularly in earth dams, the water proof walls are used to control the seepage. The waterproof walls are usually made of bentonite mixture and have been implemented as discrete panels. In rotary drilling pile, bentonite mixture (water and clay) and paste cement (drilling fluid) prevents the loss of concrete during the casting. Bentonite can also act as a medium to cool the drilling tip and to help lubricating the rotary motion. The performance of bentonite in drillings is affected by rheological properties and resistance behavior of bentonite fluid flow in the cavity of ground strata. In other word, the workability and flow ability of bentonite have a direct relation with the rheological properties. In accordance with guidelines API-13A, the drilling fluids must be used after 24 hours and the percentage of solids bentonite in water should be about 3-10. The marsh funnel test is used to measure the workability and flow ability of bentonite. Depending to the type of ground strata and construction consideration, the discharge time of specific volume of fluid in the marsh funnel is used to determine the viscosity of fluid. Various mathematical models represent the rheological behavior of Non-Newtonian fluid such as bentonite. Some of these models are Bingham, Herschel-Bulkley, and Casson. In this investigation, the effect of hydration time on the rheological properties of bentonite is studied. Samples 5, 7 and 10 percent of the bentonite are made. Rheological properties including the yield stress and viscosity of the samples are measured with Viscometer model HAKKE RV12. The comparison of rheological properties of bentonite samples shows that over the time, the yield stress increases first and then reduces. The viscosity almost remains constant over the time. The dam break problem test is performed for samples of bentonite and past cement. Flow profile of fluid during dam break test is obtained by image processing (in Matlab Software). The flow regimes (Laminar or Turbulent flow) of dam break problem were also examined. Numerical simulations of dam break problem are done by SPH method (Mesh free and Lagrangian method) and verified with experimental data. The results show that numerical simulations of turbulent and laminar flow are similar and both models are consistent with experimental results, which show that the SPH method is an appropriate method for simulation of large deformation and free surface problem. In the simulation, the fluid is considered as a homogenous fluid and Casson model are adopted as the rhelogical model. Finally, two cases of 2-D numerical simulation of water flow in the marsh funnel test are presented. The results of simulation of discharge time in the marsh funnel test results are similar to analytical results. Key Words: Drilling, Bentonite fluids, Rheology, Marsh funnel Viscometer, Dam break, Non-Newtonian fluid, SPH method
عملیات حفاری با تاریخ تمدن بشر شکل گرفته و با توسعه ی صنعت، بهتدریج تکامل یافته است و بهصورت 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. بهمنظور 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 حفاریها در گرو شناخت رفتار حرکتی و مقاومتی جریان سیال بنتونیت در حفرههای موجود در لایه های زمین است. بهعبارتی 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. مدلهای 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 زمانهای مختلف بعد از بازشدن دریچه و دیگر اطلاعات مربوط به این آزمایش با استفاده از پردازش تصویر (نرم افزار متلب) بهدست 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، صحتسنجی نتایج عددی و نمونه های آزمایش شکست سد انجام شده است. شبیهسازی شکست سد در حالتهای 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. کلمات کلیدی: حفاری، سیال بنتونیت، رئولوژی، قیف مارش، ویسکومتر، شکست سد، سیال غیرنیوتنی، روش بدون شبکه ی SPH .