تهیه میکرومدل های شیشه ای برای انجام آزمایشهای مشاهده ای جریان سیال

برای انجام آزمایشهای مشاهده ای جریان 1 فازهای آبی و آلی سیال ( مایع و گاز ) از میکرومدل های شیشه ای استفاده می شود . این میکرومدل ها به عنوان شبیه ساز دو بعدی سنگ مخزن نفتی مورد استفاده قرار می گیرند . تا به حال ، در فرآیند تولید این نوع میکرومدل ها، برای ظهور شکل بر روی شیشه از رزین مایع حساس به نور استفاده می شده است . اشکال استفاده از این رزین ، عدم یکنواختی در ضخامت لایه پوشش ، حبس شدن حباب های گاز در زیر لایه مایع ، مقاومت پایین در برابر اسید و باز ، و از همه مهم تر ، عدم دسترسی به نوع مناسب آن در ایران می باشد . در این پروژه شیو های جدید برای تولید این نوع میکرومدل ها با استفاده از فیلم خشک مقاوم در برابر نور 2 با دقت بسیار بالا و سهولت استفاده را ارائه می دهیم . سعی شده است جزئیات لازم برای تولید مدل از اولین تا آخرین مرحله بیان شود .

1-4-آماده سازی نمونه شبکه متخلخل

ابتدا باید نمونه شبکه متخلخل را تهیه کرد . این عمل می تواند با استفاده از نرم افرار های کامپیوتری و یا عکس برداری از یک مقطع از سنگ مخزن انجام شود . یکی از نرم افزارهای مناسب برای این کار ،کرل درا 3 می باشد که با داشتن امکان استفاده از ماکرو ، ساخت مدل ها را بر حسب یک معادله ریاضی خاص با زوایا و ضخامت های خطوط متفاوت را ممکن می سازد . از آنجا که لمینیت مورد استفاده از نوع نگاتیو می باشد ، نمونه تهیه شده باید طوری باشد که مناطقی که باید خورده شوند به رنگ مشکی و سایر مناطق بی رنگ باشند . سپس این نمونه را بر روی کاغذ ترنسپرنسی چاپ کرده و در مرحله ظهور استفاده می کنیم .

در زیر چند نمونه مختلف از مدل های رایج ارائه شده است .

شکل 1-4:نمونه چند مدل شبکه متخلخل رایج

پس از تهیه نمونه شبکه متخلخل ، نوبت به آماده سازی آینه برای ظهور مدل است .

2-4 – حذف پوشش محافظ پشت آینه

آینه ها توسط یک لایه از نوعی رنگ خاص در برابر خوردگی و خراشیدگی محافظت می شوند . در ابتدا لازم است که این لایه محافظ حذف شود . برای این کار از محلولی با مشخصات مندرج در جدول

(1-4) استفاده می کنیم . سپس آینه را در محلول تهیه شده قرار می دهیم و به مدت 3 تا 5 دقیق صبر می کنیم .

تا لایه محافظ به طور کامل از سطح فلزی آینه جدا شود . حال بدون تماس دست با سطح فلزی آینه ، آن را با آب شسته و با جریان هوا خشک می کنیم .

3-4- اجرای پوشش لمینیت 1 بر روی آینه

لمینیت یا فیلم خشک مقاوم در برابر نور نوعی ماده حساس به نور است که در اثر قرار گرفتن در معرض نور UV در برابر باز مقاوم گشته ، در آن حل نمی شود . حین این واکنش نوعی تغییر رنگ در لمینیت ایجاد می گردد که تا حدودی نشانگر درصد اتمام واکنش می باشد . لمینیت در ضخامت های مختلف در بازار موجود است که بر اساس آزمایشهای انجام شده با نوع 3/0 میلیمتر بهترین و دقیقترین نتیجه حاصل می شود.

جدول 1-4 مواد لازم برای تولید محلول حذف کننده پوشش محافظ پشت آینه

نام ماده فرمول شیمیایی مقدار(میلی لیتر مایع اشباع)

اسید استیک CH2COOH 25

فنل C6H5OH 25

اسید فرمیک HCOOH 25

متیلن کلراید CH3Cl 425

لمینیت دارای دو لایه محافظ پلاستیکی شفاف در دو لایه حساس به نور است که مرحله به مرحله از آن جدا می شود. اولین لایه که نسبت به لایه دوم کدرتر و نرم تر است، برای محافظت یک سطح از لایه حساس به نور در برابر گردو غبار، قبل از چسباندن است. لذا این لایه قبل از چسباندن لمینیت بر روی سطح باید از آن جدا شود. لایه دوم که شفاف تر است، پس از ظهور شکل و قبل از قلیا ـ شویی، از آن جدا می شود.

برای پوشش سطح فلزی آینه با لمینیت می توان از دستگاه لمینیتور استفاده نمود. این دستگاه با گرم نمودن لمینیت و با استفاده از غلطک آن را بر روی سطح آینه می چسباند. دمای غلطک نباید خیلی زیاد باشد، زیرا گرما نیز مانند نور باعث تغییر حالت ماده حساس می شود، همچنین در دماهای بالا ماده حساس ذوب می شود. در هنگام پوشش دهی باید دقت کرد تا هیچ حبابی در زیر سطح لمینیت ایجاد نشود، زیرا در صورت وجود حباب، حتی اگر این بخش در زیر نور UV تغییر حالت دهد، قبل از شستشو با قلیا از سطح آینه جدا می شود.

4-4-ظهور مدل بر روی لمینیت

حال باید مدل تهیه شده از شبکه مخلخل را بر روی لمینیت ظاهر کنیم. برای این کار، مدل تهیه شده را بر روی آینه پوشش داده شده ثابت می کنیم، به طوری که در طول مدت نوردهی حرکت نکند. سپس آینه را در زیر لامپ UV قرار می دهیم. مدت زمان لازم برای نوردهی بسته به نوع لمینیت استفاده شده و توان لامپ UV متفاوت است، اما زمان 15 دقیقه به عنوان زمان بهینه برای لمینیت به ضخامت 2/0 میلیمتر پیشنهاد می شود. این زمان بای طوری تنظیم شود که اولا، سطح شفاف مدل به طور کامل واکنش دهد و همچنین سطح مشکی مدل حداقل نور را دریافت نماید.

5-4-حذف بخشهای نور نخورده با حلال

پس از انجام عملیات نوردهی،باید بخشهایی از لمینیت که در معرض نور قرار نگرفته را از سطح جدا کنیم. این کار توسط حلال قلیایی ضعیف انجام می شود. این قلیا می تواند کربنات پتاسیم به میزان 5 گرم در لیتر باشد. ابتدا لایه دوم پلاستیکی را از روی لمینیت جدا کرده و آینه را توسط محلول قلیای تهیه شده شستشو می دهیم. زمان لازم برای انحلال لمینیت استفاده شده در حدود 10 دقیقه می باشد.

6-4- حذف وشش فلزی پشت آینه

حال که بخش هایی از سطح لمینیت را حذف کرده ایم، باید این بخش ها را تبدیل به شیشه کنیم تا در مرحله بعد با اسید خورده شود. سطح فلزی آینه از فلزات نقره و مس ساخته می شود. بنابراین، برای حل کردن این سطح از محلول با مشخصات زیر استفاده می کنیم.

سطح پوشیده شده با لمینیت از سطح فلزی در برابر محلول محافظت می کند و فقط پوشش فلزی مناطقی که بدون پوشش هستند حل می شود.

جدول 2-4: مواد لازم برای محلول حذف کننده پوشش فلزی پشت آینه

نام ماده فرمول شیمیایی مقدار

پر سولفات آمونیوم (NH4)S2O8 25 گرم

اسید کرمیک H2Cr2O7 4 گرم

آب H2O 250 میلی لیتر

زمان لازم برای انحلال پوشش فلزی بین 2 الی 5 دقیقه می باشد.

7-4- پوشش با پارافین

هم اکنون مدل برای حکاکی1 آماده است. اما، اگر آینه را با شرایط فعلی در اسید بیاندازیم، زیرا آینه هم که شیشه ای است خورده شده و مدل کدر می شود. لذا سطوحی که نمی خواهیم خورده شوند را پارافین می زنیم و سپس عملیات اسید حکاکی را انجام می دهیم.

8-4- حکاکی با اسید

در این مرحله، نمونه را در اسید فلوریدریک قرار می دهیم تا مناطق شیشه شده مدل خوده شوند و نمونه بر روی شیشه حک شود. شیشه خورده شده به صورت پودر سفید رنگ بر روی سطح شیشه رسوب می کند و پس از مدتی از انتقال اسید به سطح شیشه جلوگیری می کند. بنابراین،پس از مدتی خورده شدن متوقف می شود. این زمان با اسید فلوریک 40 درصد حدودا 30 دقیقه می باشد. زمان بیشتر از این باعث تخریب سطح لمینیت و فلز محافظ می شود و موجب ایجاد لکه های ریز بر روی مدل و کدر شدن حاشیه شکل می شود.

9-4- فیوز کردن مدل

در این مرحله، پس از ایجاد سوراخهای ورودی و خروجی سیال، یک شیشه به اندازه مدل انتخاب و بر روی آن قرار داده و در کوره می گذاریم و حرارت می دهیم. حرارت دهی باید به طور یکنواخت باشد تا اولا، شیشه تاب بر ندارد و ثانیاً، عمق ماتریس در همه نقاط یکسان باشد. همچنین نباید دما را به حدی بالا برد که سیالیت شیشه باعث پر شدن ماتریس شود. دمای مناسب برای فیوز شدن دو شیشه از 750 تا 800 درجه سانتی گراد می باشد. سپس فرصت می دهیم تا مدل به دمای محیط برسد.