C. S. Simmons
J. M. Keller
Растекание жидкости по поверхности с впитыванием в грунт: Экспериментальные подтверждения
Введение
Пролития происходят везде, где люди обращаются с жидкостями. Понимание пролитий может дать способность проникновения в суть действий в средствах, где жидкости обрабатываются. Эта работа рассматривает отношения между областью пролития и объемом, пролитым на водопроницаемой поверхности почвы. Распространение жидкости зависит от его физических характеристик и от поверхностных свойств. При некоторых обстоятельствах может быть возможно помочь идентифицировать неизвестную жидкость, вовлеченную в пролитие, наблюдая его поведение распространения. Эта экспериментальная работа улучшает и утверждает прогнозирующую способность ранее развитой модели. На этой стадии исследования в области пролитий только поверхностные, наклоненные, типовые поверхности почвы изучены с акцентом, сделанным пролитиям неводных или органических жидкостей, связанных с использованием в автомашинах (например, антифриз, жидкость передачи, тормозная жидкость). Эта работа достигает лучшего понимания неводного жидкого поведения пролития на почвах.
Эксперименты проводились в меньшем масштабе 30 сантиметров размером и большом масштабе приблизительно из 1 метра, чтобы сравнить влияние масштаба на размера пролития. Модель пролития зависит от упрощенного уравнения Грина-Эмпта, определенного в разделе четыре, чтобы описать проникновение в почву. Много методов использовались и для имеющего размеры проникновения и для оптимизации образцовой подгонки, чтобы исследовать различные процедуры калибровки. Жидкие СМИ, измеряющие принцип, применен, чтобы оценить основные параметры для различных жидкостей, основанных на информации о проникновении для стандартной жидкости, обычно воды. Используя уравнение Грана-Эмпта модель позволяла избежать осуществлять более механистически сложное многофазное исследование, соединенный со сверхповерхностной моделью распространения пролития. Кроме того использование модели Грина-Эмпта избегало более сложного представления параметра неводного жидкого потока в почвах. Таким образом модель Грина-Эмпта продемонстрирована, чтобы упростить моделирование вертикального проникновения. hf
Исследование пролитий на поверхностях почвы во время экспериментов захвачена, используя цифровую фотографию. Преобразование пикселов в область позволило измерение изменения площади поверхности пролития. Растворенные водой разлитие кукурузного сиропа на песке в наклонах 2.4 степеней и 4.8 степеней произвели подобные полные области разлития и времена проникновения, но имели отличающиеся формы разлития. Форма пролития стала более удлиненной с увеличивающимся наклоном, как предсказано в предположениях, о которых ранее сообщают. Экспериментальные области пролития в значительной степени зависели от
проходимости почвы и жидкой вязкости с более крупными областями пролития, производимыми, поскольку проходимость почвы уменьшилась, и жидкая вязкость увеличилась. Произведенные области (некратких) пролитий нерегулярной формы, почти равные таковым, копируют пролития, имеющие более регулярные образцы. Некоторые жидкие пролития проникали нерегулярно по распространяющейся области в результате изменчивости в гидравлических свойствах пакета почвы, даже при том, что забота была проявлена, чтобы произвести однородный пакет почвы. Важное наблюдение состоит в том, что пролития имели тенденцию производить fingershaped выпячивание на вниз наклонном краю, в то время как они прогрессировали. Формирование этой особенности, как полагают, имел отношение к сокращению порождения поверхностного натяжения ширины пролития на переднем крае, нехватка почвы wetting на переднем крае пролития может также внести в развитие пальца лобное выпячивание.
Образцовые моделирования экспериментов пролития точно предсказанная область пролития, когда параметры почвы были соответственно приспособлены или калиброваны. Максимальная ошибка в предсказанных областях пролития колебалась от 4 % до 25 %, в зависимости от образцовой калибровки. Модель предсказала более быстрые прогрессии пролития чем наблюдаемый, и предсказала, что пролития часто шире и менее удлиняются чем в эксперементах. Образцовые недостатки предсказания вызваны неспособностью описать формирование пятна из-за пренебрежения поверхностным натяжением в модели. Будущие формулировки модели пролития требуют включения эффектов поверхностного натяжения описать перебирающий. Тем не менее, эксперименты пролития показывают, что модель пролития захватила основные физические отношения между свойствами жидкости и почвы, управляющими процессом пролития.
Содержание
1.0 Введение
2.0 Экспериментальные методы пролития
2.1 Материалы
2.2 Методология
2.2.1 Выбор Угла Наклона
2.2.2 Выбор вязкости жидкости
2.2.3 Построение Модели Проникновения Грина-Эмпта
2.2.4 Выполнение Пролитий
3.0 Результаты эксперимента: Измерение распространяющейся области разлития
3.1 Пролития на Песке
3.2 Пролития на Суглинке Ила
3.3 Наклоненной поверхности песка
3.4 Увеличения области со Временем
4.0 Параметры проникновения и вычисление параметров жидкости
4.1 Проникновение в Песке
4.2 Передних Головы для Песка
4.3 Параметра Проникновения для Неводных Жидкостей в Песке
4.4 Параметра Проникновения для Неводных Жидкостей в Суглинке Ила
4.5 Отступающих Периметра Пролития
4.6 Непостоянном процессе Пролития
5.0 Сравнение наблюдаемых пролитий с образцовыми моделированиями
5.1 Моделирования и Сравнения
5.1.1 Пролития Кукурузного сиропа Сокращения на Песке
5.1.2 Быстрые пролития антифриза на песке
5.1.3 Быстрых Пролития Нефти Насоса на Песке
5.1.4 Пролития на Суглинке
5.1.5 Разлива нефти на Суглинке Ила
5.2 Итог сравнение с точными данными
6.0 Заключение, прогонозирование пролитий
7.0 Ссылки
Введение
Пролития неводных жидкостей на поверхностях почвы обычно составляют экологическую проблему. Идентификация потенциального воздействия на окружающую среду или опасности, связанной с пролитием, могла быть улучшена, если наблюдаемая зона поражения могла бы быть связана на сумму вовлеченной жидкости. Прогнозирующие инструменты для того, чтобы оценить количество пролития на почве из наблюдаемой области распространения могли способствовать улучшающемуся исправлению, когда это необходимо. На водопроницаемой почве видимая область пролития только намекает о количестве жидкости, которая могла бы проживать ниже поверхности. Понимание физических явлений, связанных с распространением пролития на поверхности почвы, ключевое для оценки жидкого количества, возможно представляют ниже поверхности. Цель этого исследования - улучшенная способность предсказания к поведению пролития. Эксперименты проводились Тихоокеанской Северо-западной Национальной Лабораторией (PNNL), чтобы исследовать физические явления неводного жидкого распространения пролития по наклоненным гладким поверхностям почвы. Органические жидкости изучили включенные и смешивающиеся и несмешивающиеся типы относительно воды. О таких экспериментах пролития, выполненных в мезомасштабном (1-метровая длина), никогда не сообщали в гидрологических науках, и они обеспечивают уникальный набор наблюдений. Пролития проверили законность математической модели пролития для того, чтобы предсказать одновременный сверхповерхностный поток и жидкое проникновение в основание почвы. Экспериментальная цель состояла в том, чтобы создать гладкие поверхности почвы (то есть, плоскость), который проявил только самые фундаментальные физические механизмы. В частности было желательно, чтобы поверхностные неисправности, такие как углубления или каналы не влияли на распространение пролития. Этот подход позволил только механизмам, которыми управляет сила тяжести, плотность, вязкость, и капиллярность действовать.
Вычисление явлений пролития от меньшего размера до масштабного было также проверено. Принятие, что расширение действительное, тогда результаты, данные здесь, могло с готовностью экстраполироваться, чтобы макроизмерить весы, связанные с пролитиями на фактических пейзажах. Это ожидается или выдвигало гипотезу, что модель распространения пролития, проверенная здесь, может быть расширена, чтобы включить топографические влияния общим способом, подобный математическим формулировкам теперь имел обыкновение описывать сухопутный поток воды последнего тура. Эти демонстрации пролития показали, что распространение формы чрезвычайно под влиянием небольших неисправностей во входе или spillsource геометрии. Такие неисправности создают вызов производству идентичного распределения пролития, даже когда вовлеченные объемы и показатели пролитой жидкости являются почти тем же самым. Другими словами у пролитий обычно есть определенный случайный характер в их распределении размера.
Об ожидаемом поведении идеальных пролитий на поверхностях почвы сообщили ранее Келлер и Симмонс (2005). В том отчете особые почвы и неводные жидкости были идентифицированы для исследования. Отобранные немногие из идентифицированных материалов (жидкости и почвы) используются в этих экспериментах. Распространение пролития растворенного водой кукурузного сиропа, нефти насоса, хладагента антифриза, и dodecane по песку и почве суглинка ила было проверено. Dodecane - низкая вязкость и имеющая малую плотность жидкость, которая может быть рассмотрена как заместитель для керосина или реактивного топлива. Масленка насоса помогает для машинного масла, типичной жидкости передачи, или тормозной жидкости. Антифриз - главным образом, этиленовый гликоль. И антифриз и кукурузный сироп, конечно, смешивающиеся с водой и может иметь тенденцию взаимодействовать несколько по-другому чем несмешивающиеся жидкости с почвой включая небольшое начальное количество воды. Песок и суглинок ила всегда содержали небольшое количество воды, чтобы лучше управлять упаковкой их, чтобы сформировать гладкую поверхность. Распространение жидкости перетекает, гладкая почва вовлекает и распространение и проникновение в подповерхность. Проблема моделирования состоит в том, чтобы предсказать размер области пролития в результате объема примененной жидкости. Эта область - подпись пролития, которая является видимым индикатором случая. Конечно, область пролития динамически прогрессирует, поскольку пролитый объем увеличивается со временем. Считается, что те же самые явления относились бы к непроверенным почвам и жидкостям, за исключением взаимодействий органических жидкостей со СМИ глиняного типа, такими как montmorillonite. Поведение проникновения в глинах определенных органических жидкостей может упасть вне обычного режима капиллярных механизмов.
Экспериментальные методы пролития
Материалы
Жидкости и почвы были отобраны основанные на предварительном исследовании их физических свойств и как те свойства будут влиять на жидкое распространение. Используемая почва песка не является точно или песком Куинси или Аккузэндом, о котором сообщает Келлер и Симмонс (2005). Песок (названный Корой Бобра) был промежуточным звеном с более классифицированным гранулометрическим составом. Это было выбрано из-за его доступности и однородности. Гранулометрический состав и водная кривая задержания песка Коры Бобра, которые были измерены определенно, обеспечены в Приложении B. (Кора бобра - название пейзажа, материалы снабжают компанию.) Суглинок ила изначально, который намного более плотный чем песок и следовательно менее проводящий, использовался как запланировано. Однако, определенная гидравлическая проводимость этого суглинка ила как просеяно должна была быть повторно измерена и отличается чем первоначально сообщаемый Келлером и Симмонсом (2005). Определенная проходимость песка и суглинка ила определена и дана как часть тестирования пролития, обсужденного этим отчетом.
Используемые жидкости были растворенным кукурузным сиропом, нефтью насоса, антифризом, и dodecane. Кукурузный сироп был растворен
3 к 1, или 1 к 1 объемом, с водой, чтобы произвести жидкости с диапазоном вязкости и плотности. Dodecane использовался, чтобы изучить, главным образом, поведение проникновения, но не использовался в большом количестве, чтобы создать пролитие.
У кукурузного сиропа сокращения (3 сиропа частей и 1 вода части объемом) есть вязкость приблизительно в 55 раз больше чем это воды, и у нефти насоса есть подобная вязкость, но более низкая плотность и поверхностное натяжение. Dodecane, с другой стороны, может использоваться, чтобы исследовать жидкость с вязкостью, приблизительно равной, чтобы оросить, но менее плотный.
Методология
Почвы были упакованы в подносы формы для пирога 31 см × 20 см × 4 см (L, W, D) и поднос пластмассы масштабного размера прямоугольной формы (96 см × 66 см × 10 см). Поверхность была сделана плоской и гладкой, катя большую цилиндрическую трубу по кастрюле или краю подноса, заполняя это с почвой, пока поверхность почвы не была даже с контейнерным краем. Другие методы, такие как очистка поверхностной плоскости, как находили, были менее эффективными для того, чтобы создать даже или гладкая поверхность. Четность была проверена, наблюдая поведение пролития, распространяющегося в кастрюлях меньшего размера.
Пролитие в качестве примера нефти насоса показывают в рисунке 2.1 для подноса масштабного размера. Как правило, жидкость льют через трубу и позволена начать распространяться на сформированной пластмассовой подушке маленького шестиугольника, помещенной в
поверхность почвы. Подушка препятствует тому, чтобы жидкость обыскивала поверхность почвы в точке приложения. Пролитие, как замечается, размножается вниз наклонно. Размер открытия трубы определяет уровень заявления.
Выбор угла наклона
Проблема тестов пролития находила условия, которые проявили идеальное поведение распространения. Было известным в начале что, если бы жидкость не была достаточно вязкой или если бы наклон поверхности был слишком большим, то распространение не соответствовало бы ограниченным условиям теоретической модели пролития.
Кукурузный сироп был отобран как безопасная и доступная жидкость, чтобы работать с тем, потому что он мог быть растворен с водой, чтобы приспособить ее вязкость. Кукурузный сироп сокращения с 3 сиропами объемов к 1 объему воды был выбран в качестве испытательной жидкости. Как определено позже, у кукурузного сиропа сокращения есть вязкость, приблизительно в 55 раз больше чем вода, в то время как
Рисунок 2.1. Разлив нефти на гладкой Поверхности Песка. Объем нефти насоса составляет 600 мл, и поверхность наклонена 5 степеней. Поднос о 1-m, длинном и 66 см шириной.
поверхностное натяжение приблизительно на 60 % больше чем это воды. Эти жидкие свойства были определены, рассматривая поведение проникновения, как обсуждено позже.
Рисунок 2.2 - фотография небольшого пролития 60 мл кукурузного сиропа сокращения, будучи вылитым на песок, взятый только после 10 секунд. Наклон, приблизительно 5 степеней, достаточно большой, чтобы вызвать узкий ручей. Поток, объединенный в базовом краю кастрюли после 15 секунд по полной продолжительности пролития 126 секунд, имел обыкновение освобождать исходную мензурку. Длина кастрюли составляет приблизительно 32 см. Можно заметить в фотографии, что жидкость не wetting поверхность песка и имеет крутой краевой угол вдоль жидкой границы.
Напротив, рисунок 2.3 показывает подобный уровень пролития на менее наклоненную поверхность песка приблизительно в 2.5 степенях. Для рисунка 2.2, пролитие, погруженное в песок полностью после 103 секунд, тогда как впитанное только после 66 секунд для менее наклоненного пролития (рисунок 2.3), который оставался в пределах пределов длины кастрюли. В рисунке 2.2 ручей пролития обнаружил небольшой боковой наклон, который заставил это делать поперечную экскурсию, но возвратился почти к осевой линии. В рисунке 2.3 боковое и продольное распространение казалось почти симметричным. Заметь, что белое отражение верхнего света происходит, главным образом, в изгибающейся жидкой поверхности, поскольку это встречает поверхность песка. Поскольку пролития на 60 мл достаточно маленькие и медленные, не было никакой потребности вылить жидкость на подушку, как замечено в рисунке 2.1, избежать поверхностной эрозии.
Рисунок 2.2. Пролитие Кукурузного сиропа в соотношении 3:1 Вода на Немного Сыром Песке для Наклона 5 Степеней. Объем составляет 60 мл, которые вылили более чем 18 секунд. Изображение пролития спустя 10 секунд после того, как пролитие началось.
Рисунок 2.3. Пролитие Кукурузного сиропа 3:1 Вода на Немного Сыром Песке с Наклоном 2.5 Степеней. Объем составляет 60 мл, которые вылили в течение 15 секунд. Изображение пролития спустя 10 секунд после того, как пролитие началось.
Заключительные этапы распространения пролития, как показано в рисунке 2.3, показывает рисунок 2.4. Маленькая жидкая лужа остается на наклонном конце смоченной области, где жидкость снизилась (пропитанный) в песок. После 66 секунд жидкость была пропитана полностью. Поскольку жидкость впитывается во время распространения, остающаяся лужа часто неравная или нерегулярная в форме, отражая изменение подповерхностного проникновения. Это изменение формы вызвано изменением в проходимости среды песка, потому что прекрасная упаковка не могла быть достигнута. Ясно, после фотографии рисунка 2.3, распространяющаяся область продолжала увеличиваться, когда заливка была закончена.
Рисунок 2.4. Пролитие Кукурузного сиропа Сокращения на Немного Сыром Песке с Наклоном 2.5 Степеней. Пролитие показывают после 50 секунд, соответствующих к рисунку 2.3.
Из иллюстраций 2.2 до 2.4, пришли к заключению, что угол наклона не должен превысить приблизительно 5 степеней для жидкости с вязкостью меньше чем тот из кукурузного сиропа сокращения (3:1). Рисунок 2.1 показывает, что проливание из нефти насоса при данном уровне для поверхности более широкого масштаба было выполнимым. Обычно, экспериментальный подход должен был выступить небольшой, тесты пролития пан-размера прежде, чем делать попытку пролитий масштабного размера, потому что было важно решить заранее, что пролитие масштабного размера поместится в поднос 1 метр длиной.
Выбор вязкости жидкости
Другая причина наладки водного отношения растворения кукурузного сиропа сокращения состояла в том, чтобы произвести жидкую вязкость, которая замедляет уровень проникновения к временным рамкам, соразмерным с распространяющимся уровнем.
Например, если бы воду вылили на отобранном песке, то вода не распространилась бы очень, из-за проникновения. Поэтому, чтобы продемонстрировать сцепление распространения и проникновения, вязкость жидкости должна была быть отобрана в соответствующем диапазоне для особой поверхности почвы. Например, нефть насоса имеет вязкость приблизительно в 58 раз больше чем это воды, тогда как плотность нефти насоса составляет 0.86 г/мл по сравнению с приблизительно 1.28 г/мл для кукурузного сиропа сокращения. Как следствие кукурузный сироп сокращения оттянут вниз наклонный
более быстро чем нефть насоса. Используя намного меньше водопроницаемого суглинка ила Начальника, было выполнимо использовать намного меньше вязкой жидкости, такой как 1 к 1 растворенный водой кукурузный сироп. Впоследствии было найдено, что 1 к 1 кукурузный сироп сокращения произведет непостоянный, или перебирал, распространяясь на наклоненной поверхности, и не находятся в пределах режима предсказания математической модели пролития. Антифриз, с вязкостью приблизительно в 6 - 8 раз больше чем это воды, мог использоваться на наклоненной поверхности суглинка ила, при условии, что угол наклона был приблизительно 2.5 степенями или меньше.
