[pt] Este trabalho descreve experimentos relacionamentos com o movimento relativo entre partículas sólidas e fluido não-newtoniano, confinados no interior de um duto circular. Medições da pressão dinâmica adicional, devida unicamente à presença da partícula (fonte de perturbação no escoamento) e do arrasto viscoso foram conduzidas de forma a se verificar a validade da Teoria de Brenner (1962). Esta teoria, já confirmada para fluidos newtonianos, permite que parâmetros característicos do escoamento perturbado sejam determinados, convenientemente, através de parâmetros do escoamento não-perturbado (ausência de partícula). Para o caso de fluido não-newtoniano, denominados puramente viscosos, do tipo Power-law, a teoria se mostrou perfeitamente aplicável. O valor da razão Delta P mais A/D descrito por Brenner foi confirmado com uma precisão de 3 por cento, num total de 70 experimentos realizados. Para fluidos não-newtonianos, viscoelásticos, com função viscosidade tipo Power-law, a validade da teoria parece, entretanto, depender de um parâmetro capaz de descrever na natureza constitutiva do fluido utilizado. Experimentos realizados com três diferentes fluidos viscoelásticos (expoentes power-law n igual 0,303; 0,343; 0,483) conduziram à identificação deste parâmetro, o Segundo Número Elástico, El2. Para valores de El2, inferiores a 14, caracterizando um escoamento predominantemente viscoso, o valor da razão Delta P mais A/D novamente é confirmado com precisão inferior a 4 por cento. Para valores de El2 superiores a 40 a razão Delta P mais A/D não mais pode ser avaliada com base em parâmetros do escoamento perturbado, analogamente ao que havia sido proposto por Brenner para o caso de fluidos newtonianos. Neste trabalho incluem-se também registros contínuos dos experimentos enfatizando os efeitos viscoelásticos envolvidos, bem como uma análise dos efeitos de parede associados ao movimento relativo entre fluidos não-newtonianos e partículas sólidas. Todos os experimentos foram realizados num regime de Reynolds variando de 0,1 a 90 e num regime de Weissenberg (calculando com base no modelo de Powell-Eyring) variando de 850 a 3800. / [en] This work describes experiments related to relative motion between solid particles and mon-newtonian fluid, inside a circular duct. Measurements of the aditional dynamic pressure, due to the presence of the particle (a source of disturbance in the flow) ando f the viscous drag, were conducted to verify the validity of Brenner’s Theory (1962). This theory, already confirmed for newtonian fluids, allows the determination of the characteristic parameters of the disturbed flow using parameters of non-disturbed flow (without particle). In the case of purely viscous non-newtonian fluids, of the power-law type, the theory was confirmed. The value of the ratio Delta P plus A/D, described by Brenner, was confirmed. The value an accuracy of 3 per cent, in a total of 70 experiments. For viscoelastic fluids, with Power-law viscosity function, it appears that the validity of the theory depends on the Second Elastic Number, El2. Experiments conducted with three different viscoelastic fluids (power-law exponents, n equal 0,303; 0,343 and 0,483) shows that for values of El2 bellow 14, which characterizes a predominantly viscous flow, the value of of the ratio Delta P plus A/D is agair confirmed, with na accuracy of 4 per cent. For values of the El2, parameter above 40, the ratio Delta P plus A/D cannot be determined using parameters of the non-disturbed flow, as proposed by Brenner for newtonian fluids. In this work are also included graphic registers of the experiment, showing the complex viscoelastic effects, as well as na analysis of the wall effects associated with the relative motion between non- newtonian fluid and solid particles. All the experiments were conducted with Reynolds number between 0,1 and 90 and a Weissenberg number (based in Powell-Eyring model) between 850 and 38.00.

[pt] O deslocamento de um líquido por outro em espaços anulares é comumente encontrado na indústria do petróleo, e a maioria deles envolve materiais não newtonianos. O espaço anular muitas vezes apresenta irregularidades causadas pela erosão, onde quantidades consideráveis de fluido de perfuração podem ser deixadas para trás durante o processo de deslocamento, comprometendo a qualidade da operação de cimentação. Motivados por esse processo industrial, testes de deslocamento entre líquidos a vazão constante foram realizados em espaços anulares cuja parede externa possui, em uma determinada posição axial, um aumento repentino de diâmetro seguido de uma diminuição repentina de diâmetro mais a jusante. O objetivo dos experimentos era determinar a eficiência do deslocamento em função da vazão, reologia dos fluidos e geometria da cavidade. Os resultados revelaram forte influência desses parâmetros na eficiência de deslocamento. Ao mesmo tempo, um estudo numérico foi desenvolvido. Simulações numéricas das equações de Navier-Stokes em geometria axissimétrica para fluidos incompressíveis foram acopladas ao método Level-Set para captura da interface. Fluidos com viscosidade constante e o modelo newtoniano generalizado com função viscosidade de Carreau-Yasuda foram utilizados. Isso permitiu simular deslocamentos entre dois fluidos newtonianos e entre um fluido newtoniano e outro não-newtoniano. Este foi utilizado tanto como fluido deslocador quanto como deslocado. Foram realizadas simulações para várias razões de diâmetros, viscosidades, tempos de relaxação, e números de capilaridade e de Reynolds. Identificamos quando a aproximação do espaço anular por duas placas paralelas pode ser aplicada e calculamos como a forma da interface depende dos parâmetros investigados. / [en] The displacement of a fluid caused by another one, inside annular spaces, is commonly found in the oil industry and most of these rearrangements involve non-Newtonian materials. The annular space often shows irregularities caused by erosion, in which considerable amounts of drilling fluid can be left behind during the displacement process, compromising the cementing operation efficiency. Motivated by that industrial process, fluid-fluid displacement tests at constant flow rate were performed in annular spaces in which their exterior walls displayed - in a determined axial position - an abrupt expansion followed by an abrupt contraction. The purpose of the tests were to determine the displacement efficiency as a function of flow rate, rheological properties and geometric cavity. The results revealed a strong influence of these parameters on the displacement efficiency. At the same time, a numerical research was developed. Numerical simulations of the Navier-Stokes equations in axisymmetric geometry for incompressible fluids were coupled to the Level-Set method to capture the interface. Fluids with constant viscosity and the generalized Newtonian model with viscosity function of Carreau-Yasuda were used. That allowed to simulate displacements between two Newtonian fluids and a Newtonian and a non-Newtonian fluid. This was used both as a displacer and as a displaced fluid. Simulations were performed for several diameters and viscosities ratios, relaxatation time, capilar and Reynolds numbers. We identified when the approximation of the annular space by two parallel plates can be applied and calculated how the shape of the interface depends on the investigated parameters.

[pt] Neste trabalho foi analisado o escoamento de fluidos não Newtonianos através de canais axisimétricos convergentes divergentes. A solução da conservação de massa e de conservação de momento foi obtida numericamente via volumes finitos utilizando o programa de computador Fluent. A equação constitutiva de fluidos Newtonianos generalizados foi utilizada para modelar o comportamento não Newtoniano, utilizando a equação constitucional de Shunk-Scriven para cálculo da viscosidade, que assume como sendo a média geométrica ponderada pelo classificador de escoamento R entre a viscosidade de cisalhamento e a viscosidade de extensão. Os resultados de perda de pressão e vazão são comparados com os resultados calculados pela relação simplificada proposta por Souza Mendes e Naccache, 2002 entre a perda de carga e vazão de fluidos viscoelásticos fluindo através do meio poroso, para analisar a sua performance. / [en] In this work, the flow of non-Newtonian fluids through axisimmetric convergingdiverging channels is analyzed. The solution of mass and momentum conservation equations is obtained numerically via finite volume technique using the Fluent software. The Generalized Newtonian Fluid constitutive equation was used to model the non- Newtonian fluid behavior, using the Shunk-Scriven model for the viscosity, where a weighted geometric mean by the flow classifier R between shear and extensional viscosities is assumed. The results of pressure drop and flow rate are compared to the ones predicted by a previously proposed simplified relation (Souza Mendes and Naccache, 2002) between pressure drop and flow rate, for viscoelastic fluids flow through porous media, in order to analyze its performance.

[pt] Esta dissertação investiga escoamentos multifásicos de deslocamento de fluidos em geometrias anulares envolvidas em operações de cimentação de poços com fluidos espumados. A cimentação desempenha um papel relevante na integridade de poços e algumas aplicações requerem pastas leves com alta resistência à compressão, e o cimento espumado atende a este propósito. Para modelar adequadamente a complexidade do escoamento - que compreende comportamento não-newtoniano e elevada compressibilidade - um modelo tridimensional de dinâmica computacional de fluidos (CFD) foi desenvolvido a partir do código aberto OpenFOAM. As equações de conservação da massa, momento e fases são solucionadas em uma geometria anular, considerando o efeito da pressão na densidade e na reologia dos fluidos, e o método Volume of Fluid (VoF) foi usado para capturar a interface entre fluidos. Os modelos foram validados com soluções exatas para escoamento monofásico axissimétrico com fluidos incompressíveis e compressíveis, e com modelos constitutivos newtonianos e não-newtonianos. Além disso, simulações multifásicas estimaram a eficiência de deslocamento do fluido de perfuração pela pasta de cimento em diferentes condições – constraste de densidade e de viscosidade, ecentricidade e vazões de bombeio – e com diferentes correlações para a reologia dos fluidos espumados. Finalmente, simulações de deslocamento com fluidos com densidade e reologia constante (não-espumados) foram utilizadas para comparação. Os resultados indicam que a eficiência no deslocamento com a técnica de cimentação espumada é superior em condições similares e ilustra que as pastas espumadas são menos suceptíveis a gerarem falhas quanto condições desafiadoras estão presentes. / [en] This master dissertation investigates multiphase displacement flow in annular geometries involved in well cementing operations with foamed cement slurries and spacers. Well cementing plays a relevant role in well integrity and some applications require combining a low-density cement slurry with high compressive strength, and foamed cement suits this purpose. To properly model the displacement complexity involving foamed fluids flow - pressure and temperature dependent densities and non-Newtonian rheology - a 3-dimensional computational fluid dynamics (CFD) model was developed from the open-source OpenFOAM toolbox. The mass, momentum and phase conservation equations are solved in an annular geometry, taking the effect of pressure in the fluid density and rheology, and the volume-of-fluid (VoF) method was used to capture the interface between the fluids. The models were validated using exact solutions for axisymmetric single-phase flow with incompressible and compressible fluids, and Newtonian and non-Newtonian constitutive models. Further, multiphase simulations were performed to estimate the removal efficiency of the drilling fluid by the foamed cement slurry/spacer in different conditions – density and viscosity contrast, eccentricities, and flow rate - and with different correlations for the foamed cement rheological behavior. Finally, the displacement simulations with constant density and rheology displacing fluids (unfoamed) were performed and used to compare the results with the foamed displacing fluids. The results indicate that the displacement efficiency with a foamed cement technique outperforms constant density lightweight cement slurries with similar conditions and are much less sensitive to impairment when challenging conditions are present.

[pt] Este trabalho apresenta aplicações da técnica de otimização topológica para problemas de escoamento com fluidos não Newtonianos, usando o método dos elementos virtuais (VEM) em domínios bidimensionais arbitrários. O objetivo é projetar a trajetória ótima, a partir da minimização da energia dissipativa, de um escoamento governado pelas equações de Navier-Stokes-Brinkman e do modelo não Newtoniano de Carreau-Yasuda. A abordagem de porosidade proposta por (Borrvall e Petersson, 2003) [1] é usada na formulação do problema de otimização topológica. Para resolver este problema numericamente é usado o método VEM, recentemente proposto. A principal característica que diferencia o VEM do método dos elementos finitos (FEM) é que as funções de interpolação no interior dos elementos não precisam ser computadas explicitamente. Isso ocorre porque a integração é feita em funções polinomiais e bases de ordem inferior, permitindo assim uma grande flexibilidade no que diz respeito ao uso de elementos não convexos. Portanto, o cálculo das matrizes e vetores elementares se reduz à avaliação de grandezas geométricas nos contornos desses elementos. Finalmente, são apresentados exemplos numéricos representativos para demonstrar a eficiência do VEM em comparação com o FEM e a aplicabilidade da otimização topológica para esta classe de problemas de escoamento. / [en] This work presents selected applications of topology optimization for non-Newtonian fluid flow problems using the virtual element method (VEM) in arbitrary two-dimensional domains. The objective is to design an optimal layout into a fluid flow domain to minimize dissipative energy governed by the Navier-Stokes-Brinkman and non-Newtonian Carreau-Yasuda model equations. The porosity approach proposed by (Borrvall and Petersson, 2003) [1] is used in the topology optimization formulation. To solve this problem numerically, the recently proposed VEM method is used. The key feature that distinguishes VEM from the standard finite element method (FEM) is that the interpolation functions in the interior of the elements do not need to be computed explicitly. This is because the integration is on lower-order polynomial and basis functions, and there is great flexibility by using a non-convex element. Therefore, the computation of the main element matrices and vectors are reduced to the evaluation of geometric quantities on the boundary of the elements. Finally, several numerical examples are provided to demonstrate the efficiency of the VEM compared to FEM and the applicability of the topology optimization to fluid flow problems.