خلاصه :
گسترش محلول ها نسبت به وضعیت جابه جایی میانگین درطول جریان آب در خاکها درنتیجه پیچش ازطریق کمپلکس منفذ اشباع شده میباشد. گسترش باضریب پراکندگی هیدرودینامیک درمعادله پراکندگی همرفتی مشخص میشود. این ضریب به طور وسیعی برای خاکهای اشباع شده مطالعه شده است. دراین مطالعه ضریبهای پراکندگی هیدرودینامیک برای تل ماسه غیر انباشته به عنوان تابعی از ثابتهای آب حجمی تتا تعیین شد که تغییر حدودی از اشباع تا 0.08cm3cm-3 درستون های 5cm قطری و طول 25 تا 40 سانتی متری دارند. آزمایشات جریان شیب واحد جهت اندازه گیری منحنی های پیشرفته محلول با به کارگیری ردیابهای شوری با 4 الکترود درچندین عمق ستونی انجام شدند. پارامترهای حمل برای معادله پراکندگی همرفتی و مدل متحرک –غیرمتحرک با بهینه سازی محلولهای تحلیلی با منحنی های پیشرفته محلول مشاهده شده تعیین شدند. یک پراکندگی حداکثر گاما 0.97 cm در تتا برابر است با 0.13 یافت شد درصورتیکه برای جریان اشباع شده گاما برابر با 0.1cm صرف نظر از سرعت آب منفذ از208 تا 5878d-1 تغییر حدود دارد . برای مدل متحرک و غیر متحرک بخش آب متحرک به تدریج با وحدت دراشباع با یک حداقل 0.85 در تتا برابر با 0.15 به دنبال افزایش جزئی با اشباع دوباره بیشتر میباشد. زمان تبادل بین فازهای متحرک و غیرمتحرک یک دهم تا دو دهم برای تتا بزرگتر از پانزده صدم فرضا به علت جریان نسبتا همگن با ترکیب محلول همرفتی بود. برای تتای کمتر تبادل خیلی کند تر میشود ازآنجائیکه جریان غالبا به علت V کوچکتر و لایه های نازکتر آب خیلی کندتر میشود درحالیکه مقاومت برای تبادل محلول بین فازهای متحرک وغیر متحرک افزایش می یابد. این اثرات ترکیبی منجر به مقدار پراکندگی حداکثر درمحتویات آب میانیدرصورت تل ماسه غیر انباشته شده میشود .
درطول جریان آب در محیط های منفذ دار مواد حل شده به علت پراکندگی هدرودینامیک گسترش میدهد که شامل پراکندگی مولکولی و پراکندگی مکانیکی میباشد. پراکندگی مکانیکی رخ میدهد زیرا جریان آب با بزرگی و جهت درمنافذ خاک درنتیجه پیچاب ازطریق ساختمان منفذ کمپلکس تغییر میکند. میزان گسترش به توزیع سرعت آب درمقیاس منفذ و میزان هم گرایی و واگرایی مسیرهای جریان و پراکندگی مولکولی مربوط میباشد. غالبا جیان محلول به علت پراکندگی مکانیکی با فرایند فیکیان توضیح داده میشود. شباهت درست بین پراکندگی وپراکندگی مکانیکی منجربه عملکرد مشترک ترکیب کردن این فرایندها با یک فرایندی از پراکندگی میگردد. این روش باید به دقت بررسی شود ومورد تحقیق قرار بگیرد زیرا معادله ریاضی ضرورتا شباهت فیزیکی را نشان نمیدهد. جریان محلول ممکن است با مجموع جریانهای پراکندگی همرفتی و هیدرودینامیک زیر تعریف شود. که c حجم میانگین یا غلظت ماندگار و z وضعیت یا عمق و D ضریب پراکندگی هیدرودینامیک و تتا مقدار آب حجمی و jw جریان آب دارسی است. درخاکهای اشباع شده ضریب پراکندگی با معادله زیر مشخص میشود. که دراولین جمله De یک ضریب پراکندگی موثر درحالیکه دومین جمله ضریب پراکندگی مکانیکی را توضیح میدهد درجایی که گاما به پراکندگی اشاره میکند و سرعت آب منفذ را مشخص میکند وn یک ثابت تجربی است. نقش پراکندگی مولکولی میتواند باتعداد پراکندگی مولکولی peclet ارزیابی شود. درجایی که d اندازه میانگین ذره خاک یا بعضی از طول های مشخص با محیط پرمنفذ است. جمله طیفی پراکندگی مولکولی درمعادله 2 همان ترتیب بزرگی رابرای جمله طیفی پراکندگی مکانیکی رادارد. با افزایش Pe کمک پراکندگی به پراکندگی مکانیکی نامحسوس میشود اما انتشارعرضی که به طور معکوسی با پراکندگی مکانیکی درمفهوم پراکندگی تایلور ارتباط دارد باید درنظرگرفته شود. مقادیر نمونه برای n درتغییر حدودی بین 1و 1.2 هستند در Pe بالاتر ضریب پراکندگی یک افزایش تقریبا خطی را با سرعت آب منفذ درمورد ماسه های غیر انباشته شده یا مهره های شیشه ای نشان میدهد. پراکنده کنندگی فرضا یک ویژگی ذاتی خاک برای جران اشباع شده میباشد. پراکندگی هیدرودینامیک درخاکهای اشباع نشده پیچیده تر از آن در خاکهای اشباع شده است. با کاهش مقدار آب سرعت آب منفذ کم میشود و هندسه فاز مایع درمنافذ انتقال دهنده آب با فرصت کمتری برای ترکیب کردن و و پیچ و خم افزایش یافته تغییر میکند. ضریب پراکندگی بستگی به مقدار آب و سرعت دارد که ممکن است شبیه به معادله 3 بیان شوند. درمورد محیط های غیر انباشته شده ازقبیل مهره های شیشه ای و ماسه ها گسترش بیشتر محلول و پس مانده طولانی تر برای منحنی پیشرفت محلول در مقادیر آب کمتر مشاهده شده اند . ازاینرو مقادیر بزرگتر برای گاما برابر با D/V برای شرایط اشباع نشده نسبت به اشباع شده یافت شده اند. De smedt و wierenga پراکندگی بیشتری را در مهره های شیشه ای با مدل متحرک و غیر متحرک توضیح دادند. این محققان دریافتند که مقدار آب متحرک به طور خطی با مقدار آب کلی افزایش می یابد درحالیکه ضریب انتقال جرم بین فازهای متحرک و غیر متحرک آلفا به طور متناسبی با سرعت آب منفذ افزایش یافتند ماراکاو دیگران پراکنده کنندگی بیشتری را برای خاکهای ماسه ای اشباع نشده دریافتند اما آنها دنباله منحنی پیشرفت محلول را مشاهده نکردند. پادیلا و دیگران ثابت کردند که برای یک ماسه اشباع نشده پارامترهای معادله پراکندگی همرفتی و مدل متحرک و غیر متحرک نه تنها تابعی ازویژگیهای خاک هستند بلکه تابعی از مقدار آب هستند. ماتسوبایاشی و دیگران طول مخلوط را برای پراکندگی اشباع نشده براساس انحراف معیار v برای تتای مختلف با به کارگیری مدل حفظ مویین اریابی کردند. علیرغم مطالعات مذکور ودیگر مطالعات جهت توضیح دادن پراکندگی اشباع نشده یک فقدان اطلاعات همسان و جامع وجود دارد . مشکل برای ایجاد کردن شرایط جریان یکنواخت اشباع نشده ممکن است منجربه تخمینات غیر دقیق پارمترهای حمل گردد. چند اطلاعات برای مقدار های کمتر آب وجود دارد زیرا میزان جریان کم پیوسته منجر به آزمایشات جابه جایی زمان بر میگردد. دراکثر مطالعات غلظتهای مجرای خروجی جهت تعیین کردن منحنی پیشرفت محلول مورد استفاده قرار گرفتند. پراکندگی القاء شده با دستگاه ممکن است منجر به پارامترهای حمل پیش قدردار میگردد. درحالیکه یک منحنی تکی پیشرفت محلول برای یک آزمایش برای ارزیابی کردن مدل حمل یک پایه ناقصی را فراهم میکند. هدف اصلی این مطالعه بررسی کردن پراکندگی با تغییرحدود وسیعی ازمقادیر آب تحت شرایط جریان شیب واحد دریک تل ماسه است . به این منظور ما درمحل منحنی پیشرفت محلول را با نتیجه گرفتن غلظتهای ماندگار کلی از قابلیت هدایت الکتریکی خاک انباشته اندازه گیری شده باردیابهای درجه شوری با 4 الکترود درچندین عمق درستون های پر شده با تل ماسه توتوری تعیین شدند. مقادیری برای پارامترهای معادله پراکندگی همرفتی و مدل متحرک و غیر متحرک با بهینه سازی محلولهای تحلیلی این مدل های حمل شده با منحنی پیشرقت محلول مشاهده شده تعیین شدند. مخلوط و ترکیب محلول درماسه اشباع نشده برحسب عملکرد پراکنده کنندگی به عنوان تابعی از مقدار آب بحث خواهند شد.
مواد و روشها :
آزمایش جابه جایی :
یک تل ماسه توتوری خوب جور شده به طور یکنواختی با تراکم توده خشک پرمیشوند ، pb= 1.67g cm-3 درستون های5cm قطر و طول 25 تا 40 سانتی متری . تل ماسه یک اندازه میانگین ذره با قطری بین 0.149mm تا 0.5mm داشت. جهت به حد اقل رساندن گرفتگی فیلتر درطول آزمایشات جابه جایی ما ذرات نرم را درماسه 2.5 تا 1 درصد با شستن ماسه با آب مقطر کاهش دادیم. قابلیت هدایت هیدرولیک اشباع شده 550cm d-1 بود. شکل یک منحنی بازداری آب را که با یک ستون آب پایین افتاده در حالت اشباع اندازه گیری شده اند را نشان میدهد. ازمنحنی آشکار میشود که ماسه مقدار ورودی هوای کمی دارد و تغییر حدود محدودی در اندازه های منفذ دارد. شرایط جریان اشباع شده و اشباع نشده در حالت ثابت با به کارگیری محلولهای CACL2 برقرار شدند. شکل دو ترتیب آزمایشی را برای آزمایشات جابه جایی نشان میدهد. جریان شیب واحد با به کارگیری یک ستون آب پایین افتاده برای شرایط اشباع نشده برقرار شد. ستون خاک درابتدا از پایین با به کارگیری یک بطری ماریوت اشباع شد. سرعتهای جریان jw با تغییر حدود 4 تا 452 cmd-1 با استفاده کردن ازآب با سطح خاک پوشیده شده با کاغذ صافی ازیک سوزن متصل به یک پمپ موجی با به کارگیری بطری خیره ای ازنوع ماریوت برای محلول سیال ورودی به دست آمدند. ماتاییدکردیم که جریان آب به نسبت درسرتاسر نمونه برای دوتا سه متر خاک با به کارگیری محلول رنگی همگن بود. یک صافی شیشه ای ذوب شده با ضخامت 5میلی متر در ته خاک برای کنترل کردن ارتفاع فشاری قالبی مورد استفاده قرار گرفت. بسته به سرعت جریان ما یک صافی با یک قابلیت هدایت اشباع شده 12، 25 یا 50cm d-1 و یک ارتفاع فشاری ورودی هوای متناظر -200, -150 , -70 cm را برای به حداقل رساندن افت فشار درسرتاسر فیلتر پایین انتخاب کردیم. ارتفاع فشاری با تنظیم کردن وضعیت نقطه چکیدن ستون آب پایین افتاده تظیم شد. ازآنجائیکه به دقت پیش بینی کردن افت فشار درسرتاسر صافی به علت گرفتگی احتمالی مشکل بود ما مکش کاربردی خواندن رطوبت سنج خاک بالای فیلتر را تعیین کردیم. برای به حد اقل رساندن اثرات پسماند ما به تدریج ارتفاع فشاری ته برای رسیدن به جریان شیب واحد کاهش دادیم. یک ستون خاک مشابه برای جریان اشباع شده استفاده شد. یک توری شبکه ای ظریف در ته به جای صافی شیشه ای مورد استفاده قرار میگیرد. بعد از اشباع شدن ستون خاک ته سرعتهای جریان اشباع شده ثابت با تغییر حدود jw= 73 to 2059cm d-1 با تنظیم کردن ارتفاع آبی دربالای ستون با به کارگیری بطری ماریوت برقرار شدند. قابلیت هدایت الکتریکی با حسگرهای درجه شوری 4ردیابه اندازه گیری میشوند که به طور افقی درستون در سه تا پنج عمق جاگذاری میشوند. هرردیاب شامل 4 میله فولاد ضد زنگ با قطر 1.6 mm و طول 20mm میباشد. دومیله داخلی و خارجی فاصله های 8و 16 میلی متری دارند. نسبت شارش جریان برق ازطریق الکترودهای خارجی با اختلاف ولتاژ بین دوالکترود داخلی با به کارگیری ثبت کننده اطلاعات با یک تسهیمگر اندازه گیری شد. ارتفاع فشاری آب خاک با کشش سنج ریز با قطر 2میلی مترو طول 10میلی متر متصل به مبدل های فشاری کنترل شدند. بعد ازبرقراری جریان درحالت ثابت محلول سیال ورودی ازغلظت c0 به c1 برای تعیین کردن منحنی پیشرفت محلول تغییر کرد. جهت به حداقل رساندن اثرات غلظت درجریان آب اختلاف بین c0 و c1 نسبتا کم بود درحالیکه هنوز اجازه اندازه گیریهای دقیق منحنی پیشرفت محلول را با الکترودهای 4 ردیابه میدهند. ما به طور جزئی برای مقادیر کمتر آب ازغلظتهای بالاتر استفاده کردیم زمانی که خواندن های 4ردیاب کمتر میشود. خواندن های Eca 4 ردیابه دریک مقدار آب خاص با قابلیت هدایت الکتریکی محلول خاک تناسب دارند .ازآنجائیکه رابطه ای خطی به طور کلی بین غلظت محلول باقی مانده آب خاک مشاهده میشود c و Eca با ثابت بودن تتا با Eca نیز متناسب است. درجایی که A و B ثابتهایی هستند و t زمان است. زمانیکه ورودی پله ای دائمی به کارگرفته شوند دوثابت معادله 5 میتوانند با دومجموعه از مقادیر c و Eca متناظر با c0 و c1 میباشند. اگر مدت زمان کاربرد پالس به اندازه کافی طولانی نباشد که به یک مقدار ثابت Eca متناظر با c1 برسیم ، ما برای تعیین کردن ثابتها بازیابی کلی جرمی را میپذیریم یعنی 4ردیاب درعمق z برای تعیین کردن ثابتها کلیه جرم محلول ورودی را نشان میدهد.
مدل های انتقال :
منحنی پیشرفت محلول مشاهده شده برحسب معادله پراکندگی همرفتی و مدل متحرک و غیر متحرک تحلیل شدند. ما فرض کردیم که اندازه گیریهای 4 ردیابه غلظتهای نوع ماندگاررا ایجاد کرد. معادله پراکندگی همرفتی یک بعدی براساس جریان پاشندگی – همرفتی معادله یک برای یک محلول غیر واکنشی دریک خاک همگن به عنوان معادله 6 نوشت میشود. مدل متحرک و غیر متحرک فرض میکند که فاز مایع در منافذ خاک میتواند به مناطق متحرک و غیر متحرک تقفسیم شود و تبادلهای محلول بین دومنطقه به عنوان فرایند درجه یک الگوبندی میشود. مدل متحرک وغیر متحرک یک بعدی برای یک محلول غیر واکنشی به عنوان معادلات 7و 8 توضیح داده میشود. درجایی که زیرنویس های m و im به ترتیب به مناطق متحرک و غیر متحرک اشاره میکنند. Vm تتا m معادل با تراکم جریان آب حجمی و آلفا ضریب انتقال جرمی درجه یک که سرعت تبادل محلول بین مناطق متحرک و غیر متحرک را کنترل میکنند. حسگر 4ردیابه فرضا غلظت ماندگار کلی را اندازه گیری میکند که به عنوان معادله 9 تعریف میشود. مقادیری برای پارامترهای انتقالی با برنامه بهینه سازی کمترین مجذورات غیر خطی با به کارگیری محلولهای تحلیلی معادله پراکندگی همرفتی و مدل متحرک و غیر متحرک با شرایط اولیه و مرزی زیر تعیین شدند. معادلات 10و 11و 12 . درجایی که L طول ستون و D معادل با دی ام تتا ام تتا برای مدل متحرک و غیر متحرک است و t0 مدت کاربرد پالس با t< t0 میباشد که یک کاربرد مرحله ای را نشان میدهد. استفاده از حالت خروجی نامحدود برای یک ستون خاک محدود تا مادامیکه مراحل ماوراء z= L یک اثر نامحسوسی برروی غلظت خاک درنقطه اندازه گیری دارند منطقی است. اگر ما روش عمومی تعیین کردن n معادل با یک را بپذیریم و از جمله پراکندگی درمعادله 2و4 غفلت کنیم پراکنده کنندگی برای معادله پراکندگی همرفتی به عنوان معادله 13 تعریف میشود. پراکنده کنندگی میتواند به عنوان طول ترکیب درنظرگرفته میشود که تحت تاثیر توزیع سرعت میکروسکوپی و فرصتی برای ترکیب کردن محلول درمنافذ مختلف خاک قرار میگیرد .ضریب پراکندگی موثر کلی برای مدل متحرک و غیر متحرک ممکن است به عنوان معادله 14 تعریف شوند. اولین جمله در طرف سمت راست معادله 14 سهم پراکندگی در فاز متحرک رانشان میدهد. جمله دوم متناسب با v به توان 2 است و شامل سهم پراکندگی عرضی با مخلوط محلول میباشد. برای زمانهای حرکت طولانی کافی انتقال ممکن است با معادله پراکندگی همرفتی با به کارگیری مدل متحرک و غیر متحرک بر طبق معادله 14 تعیین شود. پراکندگی موثر برحسب مدل متحرک و غیر متحرک ممکن است مشابه با معادله 15 تعیین شود. درجایی که گاما m پراکندگی در فاز متحرک است و جمله دوم یک پراکندگی غیر متحرک یا طول ترکیبی است. زمانیکه ترکیب محلول بین فازهای متحرک و غیر متحرک مکانیسمهای غالبی برای پراکندگی است به عبارت دیگر ممکن است پراکندگی به علت دومین جمله معادله 15 با سرعت آب منفذ افزایش یابد.
نتایج و بحث :
جریان آب اشباع نشده :
ارآنجائیکه پراکندگی هیدرودینامیکی در یک خاک اشباع نشده تابعی از تتا و v است لازم است که برای رسیدن به مقدار آب یکنواخت درسرتاسر ستون درطول آزمایشات جریان شیب واحد را برقرار کند .شکل 3 توزیع تتا و h رابه عنوان تابعی از عمق برای یکی از آزمایشات با به کارگیری یک جریان آب
20.2cm d-1 و یک فشار تحمیلی درحدود –40 cm در ته نشان میدهد. مقادیر آب بعدا به طور وزنی تعیین شدند. مقادیری برای تتا و h درسرتاسر ستون تقریبا یک دهم سانتی متر مکعب درسانتی متر به توان سه و منفی سی سانتی متراست که متناظربا منحنی بازداری آب نشان داده شده در شکل یک میباشد. مقادیر آب و ارتفاعات فشاری نزدیک به ته به علت گرفتگی فیلتر ته افزایش یافتند. مسئله بالقوه دیگر پسماند است ازآنجائیکه میتواند از شیب پرشیب درانشعاب خشک شده منحنی بازداری آب تصویر برداری شود تل ماسه کاملا اثری بود. حتی افزایشی جزئی درفشار ته به علت حرکت بالایی نقطه چکیدن ستون آب پایین افتاده منجر به رطوبت میگردد. یک کاهش سریع در فشار ته ممکن است منجر به توزیع دوباره و مرطوب شدن نزدیک ته گردد. جهت به حد اقل رساندن اثرات پسماند ما با یک ستون خاک اشباع شده وجدیدا پرشده برای هرآزمایش جابه جایی شروع کردیم. ما مقادیر آب را با بخش کردن ستون خاک بعد از هر آزمایش اندازه گیری کردیم. علاوه بر نظارت کردن بر h ، خواندن های ردیابه Eca برای کنترل کردن تتا استفاده میشود به شرطی که Ecw محلول ثابت نگه داشته شود. شکل 4 رابطه تتا وی را برای کلیه آزمایشات دراین مطالعه را خلاصه میکند. توجه کنید که جریان آب که درشکل 4 با تتاوی داده شده است معادل با قابلیت هدایت به علت حالت جریان شیب واحداست. مقدار آب تعیین شده با بخش کردن ستون خاک کاملا یکنواخت نبود.ازاینرو ما برای نتیجه گیری کردن یک مقدار آب متوسط برای هر حالت جریان براساس تتا مساوی با jw/v برای معادله پراکندگی همرفتی و تتا برابر با jw وی ام تتاام تتا از V متناسب شده استفاده کردیم.
منحنی های پیشرفت و تخمین پارامتر :
بعداز برقرار کردن یک حالت جریان شیب واحد ما یک ورودی پالسی یا پله ای محلول را به کار گرفتیم . شکل 5 نمونه هایی از منحنی پیشرفت محلول را برحسب غلظت بدون بعد درمقابل زمان دراعماق مختلف برای حالتهای جریان اشباع شده و اشباع نشده نشان میدهد. نیمرخ مقدار آب ارائه شده درشکل 3 به طور وزنی بعد از اندازه گیری منحنی پیشرفت محلول نشان داده شده در شکل 5b به دست آمد. ما محلولهای تحلیلی معادله پراکندگی همرفتی و مدل متحرک و غیر متحرک با منحنی پیشرفت محلول مشاهده شده رابرای تعیین کردن D و v برای معادله پراکندگی همرفتی متناسب کردیم. زمان حرکت میانگین محلول با تغییر در غلظت کلی cacl2 برای یک منحنی پیشرفت محلول دراعماقی مشخص که تقریبا معادل با زمان میانگین محاسبه شده jw تحمیل شده تعیین کمیت شدند و به طور وزنی تتا را تعیین کردند. ازاینرو ما فرض کردیم که ما میتوانیم ازاندازه گیریهای EC برای تعیین کردن غلظتهای کلی ماندگار استفاده کنیم و اینکه عامل بازداری ممکن است معادل با واحد تعیین شود.
فرمت این مقاله به صورت Word و با قابلیت ویرایش میباشد
تعداد صفحات این مقاله 23 صفحه
پس از پرداخت ، میتوانید مقاله را به صورت انلاین دانلود کنید
دانلود مقاله پراکندگی هیدرودینامیک درتل ماسه اشباع نشده