[pt] O acoplamento fluido-mecânico como é conhecido o efeito tanto do meio poroso no meio fluido, quanto do efeito do meio fluido no meio poroso, possui uma ampla aplicabilidade em diversos campos da engenharia, tornando-se um importante objeto de estudo. O presente trabalho analisa alguns modelos acoplados de deformação e fluxo, particularmente fluxo bifásico e acoplamento com deformação, levando-se em consideração a não linearidade física do solo. A análise de fluxo em condição bifásica pode conduzir a instabilidade, devido à característica parabólica-hiperbólica das equações governantes, bem como o método empregado para soluções das mesmas, podendo não capturar satisfatoriamente condições de heterogeneidade do meio geológico. Sendo assim, são estudadas formulações numéricas capazes de contornar essas dificuldades e ainda empregadas em condição acoplada com o problema de deformação. Emprega-se inicialmente o método dos elementos finitos, MEF, para solução do problema acoplado com fluxo bifásico, em sequência uma formulação mista em que se resolve a equação da pressão através do MEF, e intermediariamente utilizam-se métodos de melhor aproximação da velocidade como os elementos de Raviart-Thomas de mais baixa ordem e solução da equação da saturação pelo método dos volumes finitos, MVF, com esquema de interpolação de alta ordem para captura de frente de saturação. Ainda assim é apresentada uma formulação em que se emprega o método dos elementos finitos descontínuos, MEFD, apresentado em Hoteit (2008), que no presente trabalho é acoplada com o problema de deformação utilizando um procedimento staggered para solução iterativa de ambos os sistemas. São apresentados exemplos que validam as diversas formulações e que destacam as propriedades de cada uma das formulações, com vantagens e desvantagem nas suas aplicações. / [en] The fluid-mechanical coupling is known as the effect of both the porous media in a fluid as the fluid in porous media, it has been studied intensively in past years and in recent years, given its importance in various application fields of engineering. This works studies numerical models of coupled deformation and flow, considering coupled two-phase flow and deformation, taking into account the nonlinear soil behavior. The numerical analysis of two-phase flow can lead to instabilities due to parabolic-hyperbolic character of the governing equations and the method employed does not adequately capture the heterogeneity of the geological environment. Thus, we analyze the numerical formulations capable of overcoming these difficulties and to be employed on coupled condition with deformation. Initially the finite element method, FEM, is employed for solution of the coupled two-phase flow problem. Another formulation is employed in a mixed basis, the pressure equation is solved through the FEM, solution of the equation of saturation by finite volume method, FVM, using interpolation scheme with high order to capture the saturation front. In an intermediate step, it is employing methods to better pos-processing the velocity filed as the lowest-order Raviart- Thomas finite elements. Finally, it is presented a formulation that employs the discontinuous finite element method, DFEM, presented in Hoteit et al (2008), is coupled in this work with the problem of deformation using a staggered procedure for iterative solution of the systems. Examples are presented that validate the various formulations and highlight the properties of each formulation, with advantages and disadvantages in their applications.

[pt] Neste trabalho foi desenvolvido um programa para simulação numérica do fluxo bifásico em meios porosos com transferência de massa entre as duas fases e transporte dos solutos em cada fase. O programa calcula o aumento da mobilidade da fase não aquosa e da solubilidade de seus componentes na água como resultado da adição de um co- solvente. O objetivo foi simular problemas de contaminação no subsolo com líquidos imiscíveis com a água e a remediação através da técnica de injeção de co-solventes, assim como a contaminação a partir de vazamentos de gasolina acrescida de álcool em postos de abastecimento. Podem-se ainda resolver problemas de fluxo bifásico envolvendo uma fase gasosa. Foi desenvolvido e implementado um modelo para a transferência de massa durante o fluxo das duas fases. O cálculo das propriedades das duas fases ao longo do tempo é feito utilizando o diagrama ternário de fases. Para resolver as equações do fluxo e do transporte de solutos foi empregado o método de elementos finitos. / [en] A computer code was developed for numerical simulation of two-phase flow in porous media considering mass transfer between the phases involved and solute transport in each phase. Enhanced mobility of nonaqueous phase and enhanced aqueous solubility of its components as a result of cosolvent injection are calculated. The objective of this work was to simulate subsurface contamination by nonaqueous phase liquids and remediation utilizing cosolvent injection technique, and also contamination by gasoline with alcohol from fuel tanks. It is also possible to solve two-phase flow problems involving a gaseous phase. A model for mass transfer during two-phase flow was developed and implemented. Properties variation with time for both phases is calculated using ternary phase diagram. Finite element method was used to solve flow and solute transport equations.

[pt] O objetivo deste trabalho é ser uma contribuição ao entendimento dos mecanismos envolvidos na migração por gravidade dos compostos orgânicos chamados de DNAPLs, quando eles são liberados em meios porosos e em meios porosos fraturados, para aportar ao desenvolvimento de tecnologias efetivas orientadas principalmente à localização e à remediação do sistema subterrâneo contaminado. Primeiramente são apresentados os conceitos elementares envolvidos nos modelos matemáticos que descrevem o fluxo bifásico em meios porosos, o processo de modelagem de um problema geral da natureza, os modelos conceituais, os matemáticos e os numéricos, e a aplicabilidade dos modelos conceituais conforme a considerações de escala. Em segundo lugar, são desenvolvidas as equações matemáticas que governam os fenômenos em estudo e são apresentadas as soluções às equações governantes a partir de técnicas computacionais e esquemas de integração numérica. As equações do fluxo bifásico são resolvidas mediante técnicas de elementos finitos mistos hibridizados (EFHM) e elementos finitos descontínuos (GD), e as equações do transporte de contaminantes são resolvidas mediante a técnica dos elementos finitos convencionais (EF). Seguidamente são avaliados numericamente problemas de transporte de contaminantes em 1D e 2D, problemas de transporte de contaminantes com transferência de massa, problemas de fluxo bifásico em 2D, e problemas acoplados envolvendo tanto fluxo bifásico como transporte de contaminantes com transferência de massa. Finalmente, são apresentadas as conclusões do trabalho desenvolvido bem como sugestões para trabalhos futuros. / [en] The objective of this work is to contribute to the understanding of the mechanisms involved in the gravity migration of organic compounds, called DNAPLs, when they are released in a porous media and in a fractured porous media, and to contribute to the development of effective technologies mainly oriented to the location and remediation of contaminated underground system. Firstly, some basic concepts are presented, especially those involved in the mathematical models that describe the two-phase flow in porous media, the conceptual models, the mathematical models, as well as the numerical models. Secondly, the mathematical equations that govern the phenomena under study are developed and the solutions to the governing equations from computational techniques and numerical integration schemes are presented. The biphasic flow equations are solved using mixed and hybridized finite element techniques (EFHM) and discontinuous finite element (GD), and the contaminant transport equations are solved by the conventional technique of finite element (FE). Then, some problems are numerically evaluated in 1D and 2D, such as transport of contaminants with and without mass transfer, two-phase flow problems in 2D, and attached problems involving both biphasic flow and contaminant transport with mass transfer. Finally, the conclusions of this thesis as well as the suggestions for future works are presented.

[pt] A modelagem numérica precisa de reservatórios de petróleo ainda é um desafio, devido às heterogeneidades do meio poroso e à existência de estruturas geológicas com geometrias complexas, tais como: fraturas, estratificações e heterogeneidades, que influenciam decisivamente o escoamento dos fluidos através dessas formações. O presente trabalho analisa a implementação de duas formulações numéricas aplicadas ao fluxo bifásico em meios porosos em que se procura contornar as dificuldades mencionadas acima. Inicialmente, avalia-se uma formulação numérica que emprega um processo em três passos: o método dos elementos finitos, EF, para a solução da equação da pressão, intermediariamente, utiliza-se o método de Raviart-Thomas de mais baixa ordem, RT 0, para melhor aproximação da velocidade, e a resolução da equação da saturação pelo método dos elementos finitos descontínuos, MEFD. Também é avaliada uma formulação na qual se utiliza o método dos elementos finitos mistos e híbridos, EFH, para aproximar a equação da pressão, e o método MEFD para aproximar somente a equação de saturação. O estudo dessas formulações busca avaliar a conservação de massa e analisar o esforço computacional despendido. São apresentados exemplos que avaliam cada uma das formulações em comparação com resultados da literatura. / [en] Accurate numerical modeling of oil reservoirs is still a challenge due to heterogeneity of the porous medium and the existence of geological structures with complex geometries, such as fractures, stratifications and heterogeneities that decisively influence the flow of fluids through these formations. This paper analyzes two numerical formulations of two-phase flow that seek to circumvent the difficulties mentioned. Initially, it evaluates a numerical formulation that employs a three step process: the finite element method, for solving the pressure equation, intermediately, it uses the lowest-order Raviart-Thomas, RT 0,to the best approximation of the flow velocities, and finally the solution of the saturation equation by discontinuous finite element method (MEFD). Additionally, a formulation which utilizes the mixed and hybrid finite element method (EFH), to approximate the pressure equation, and uses MEFD to approximate the saturation equation. Both implemented formulations aim to assess the mass conservation and to analyze the necessary computational effort. Examples are presented which evaluate each of the formulations as compared with results existing in literature.

[pt] Este trabalho apresenta o estágio atual do desenvolvimento de uma ferramenta numérica para simulação e análise do fluxo bifásico e do transporte multicomponente e de calor em meios porosos com interação química em duas dimensões. O programa desenvolvido foi baseado no UNSATCHEM_2D escrito em linguagem Fortran. A discretização das equações diferenciais parciais é feita em elementos finitos no espaço e em diferenças finitas no tempo. Uma interface grá- fica foi criada em linguagem Lua para a entrada dos dados e visualização dos resultados. Esta interface foi baseada no programa Mtool do TecGraf. O objetivo do trabalho foi implementar uma ferramenta que acoplasse diferentes processos em meios porosos: fluxo bifásico, transporte de solutos, processos químicos e temperatura. A ferramenta desenvolvida deverá ser útil em análises de problemas ambientais. Em particular, o enfoque deste trabalho é no acoplamento de processos químicos. Para isto, uma rotina de especiação química foi acoplada à cinética química com relevância na oxidação mineral. Para resolver o problema da especiação química, o programa Phreeqc foi utilizado. O trabalho apresenta detalhes dos processos de análise, de suas equações relevantes e da implementação numérica. No estágio atual de desenvolvimento, o programa é capaz de avaliar o transporte de metais e, em particular, a simulação da drenagem ácida em barragens de rejeito e pilhas de estéril sob condições complexas. Exemplos de validação e ilustrativos são mostrados e discutidos. São sugeridas algumas possibilidades de futuros acoplamentos à ferramenta numérica desenvolvida. / [en] This work presents the present stage of development of a numerical platform for simulation and analysis of two-phase flow and of, non isotermic, multicomponent transport in porous media with chemical interaction in two dimensions. The developed computer code is based on the UNSATCHEM_2D code written in Fortran language. The discretization of the partial differential equations is done by finite elements at the space and in finite difference at the time. A graphical interface was created in language Lua for the input of the data and result visualization. This interface was based on the program TecGraf’s Mtool. The purpose of the work was to construct a numerical tool that couples different processes in porous media: flow (two-phase), transport of solutes, chemical processes and temperature. The developed tool should be useful in the analysis of environmental problems. In particular, the work focused on the coupling of chemical processes. For this, a chemical speciation routine was coupled to chemical kinetics with relevance to mineral oxidation. In order to solve the chemical speciation problem, the program Phreeqc was used. The work presents details of the analyzed processes, their relevant equations and of the numerical implementation. At the present stage of development, the computer program is able to evaluate the transport of metals and, at particular, the simulation of the acid mine drainage at tailings discharge and waste rock piles under complex conditions. Validation and illustrative examples are shown and discussed. Possibilities of future additions to the developed tool are suggested.