[pt] Neste trabalho é estudado o escoamento permanente laminar de um fluido newtoniano, incompreensível e de propriedades físicas constantes, ao longo de condutos porosos, com sucção ou injeção variável através das paredes. Tanto o problema hidrodinamico quanto o térmico são analisados. Duas geometrias são adotadas para o conduto: a de tubo cilíndrico circular reto, de extremidades abertas e de um canal formado por placas planas paralelas e infinitas. Em ambas as geometrias são admitidas duas condições de contorno para o problema térmico: I – fluxo uniforme de calor por condução, trocado entre o fluido e a superfície interna do conduto e II – fluxo uniforme de calor por condução, trocado entre o fluido e a superfície interna do duto. Para todos entes casos, é determinada a influencia do fluxo de massa transversal sobre ambos os coeficientes de transferência: o de quantidade de movimento e o de calor. Estes problemas vêm despertando interesse crescente em diversos pesquisadores, por suas numerosas aplicações na engenharia e na medicina. As múltiplas utilizações dos termodutos, ou a preocupação de obter informações mais pormenorizadas sobre a circulação de fluidos nos organismos dos seres vivos são exemplos destas aplicações. A maioria dos trabalhos existentes sobre o problema acima descrito emprega a hipótese de velocidade de sucção constante ao longo do conduto. Devido à pequena quantidade de dados experimentais para comparação com os resultados teóricos, a consistência da hipótese mencionada pode ser questionada. Uma investigação sobre a viabilidade da consideração de sucção constante é, por isto, desenvolvida no presente trabalho. A Lei de Darcy é utilizada na obtenção da distribuição das velocidades de sucção ou injeção e os resultados hidronamicos e térmicos são comparados com os da literatura pertinente. O método utilizado na integração das equações diferenciais parciais é o desenvolvimento da velocidade axial e da temperatura adimensionais em séries de potencias. Este método não restringe a aplicabilidade dos resultados a consideração de perfis similares de velocidade ou a regiões afastadas da entrada do conduto permeável. Entretanto, em ambas as geometrias estudadas, os perfis de velocidade e de temperatura são supostos serem plenamente para taxas moderadas de sucção ou injeção e para fluidos com números de Prandtl de ordem de grandeza da unidade, mas pode ser estendido, com algum esforço suplementar, para casos ainda mais gerais. / [en] The steady, laminar flow of newtonian, incompressible, consant property fluid along porous-walled conduits is analysed for contions of variable suction or blowing through the duct walls. Both hydrodynamic and thermal problems are solved. Two geometries are assumed for the conduit: an open-ended straight circular cylindrical tube, and a flat duct formed by infinite parallel plates. Two kinds of thermal boundary conditions are adopted for both geometries: I – constant wall temperature and II – uniform conducton heat flow exchanged between the fluid and the internal sufarce. In all cases, it is determined the influence of the transversal mass flow over the momentum abda heat transfer coefficients. Several investigators have dedicated and increasing interest to these problems, due to their applications in engineering and medicine. Heat pipe multiple utilizations, as well as the search of obtainning more detailed information about fluid circulation in aniaml and plant organs, such as lung and arteries, are examples of such applications. The majority of published works about these problem makes use of a constant suction velocity as a hypotesis of work. Owing to a small amount of experimental data for comparison with theoretical results, may be questioned if it is an acceptable hypotesis. An investigation over the validity of uniform whitdrawal or injection is developed in the present work. The law of darcy for flow in porous media is introduced to give the wall velocity distribution and the results can be confronted with those for uniform suction or injection. The method used to solve the system of partial differential equations is based on power series expansion for the velocity and temperature. This technique does not impose a restriction on the applicability of the results in the sense of using similar velocity profiles or regions far from the entrance of the permeable pipe or channel. In both geometries studied, the velocity and temperature profiles are supposed as being fully devoloped at the duct entrance. The method is adequated only for moderate rates of suction or blowing, and for fluids with prandtl numbers of order of one, but can be extended, with some supplementary effort, to more general situations.

[pt] Este estudo mostra o comportamento de gotas de fluidos Newtonianos, de densidade menos que um, subindo em água purificada e cobrindo os valores de Rei de 1 a 1200, em regime laminar. Os diâmetros equivalentes das gotas variam de 10mm, sendo as menores de forma esférica e as maiores esferóides com acentuado achatamento na parte superior. Noata-se pulsações na subida das maiores gotas, até atingirem a velocidade de translação vertical constante. Apresentam-se gráficos de variação de velocidade de translação vertical com o diâmetro equivalente e coeficiente de arraste com Rei e Reo, encontrando-se fórmulas empíricas para estas curvas. Faz-se ainda comparações com o movimento de bolhas ascendentes e gotas descendentes em líquidos. Após as gotas adquirirem velocidade de translação constante, a trajetória segue um caminho aproximado de uma hélice elíptica hiperbólica, que é determinada pelas condições iniciais, tendendo para uma subida retilínea vertical, enquanto a distância necessária para chegar a translação vertical depende somente do sistema. Para precisar a trajetória foram utilizadas duas câmaras fotográficas colocadas em planos verticais perpendiculares, contendo o eixo da trajetória em gota. O caso particular de subida em gotas e o método fotográfico usado, são ambos novos para o conhecimento do autor. / [en] The present work studies the behavior of Newtonian fluid drops of density less than one, rising in purified water in laminar regime, Internal Reynolds number varies from 1 to 1200 and equivalent diameter of drops from 2 to 10mm. The smaller ones are spherics and the larger ones oblated spheroids on their superior part. Pulsation of great drops hás been observed before their reaching a Constant velocity of vertical translation. Graphs showing variations of vertical translation velocity VS. Equivalent diameter and drag coefficient vs. Rei and Reo are given. Empirical formulae have also been found for this curves. Comparison with bubbles rising and drops falling in liquids is also shown. After having reached Constant translation velocity, the trajectory of the drops follows a path closely approximated by an elliptic hyperbolic helix, tending to vertical rectilinear rise. The path of a drop rising with Constant velocity was found to be a function of the initial conditions, whereas the necessary distance to reach vertical translation was found to depend only on the system. In order to Record exactly the trajectory of the drops, twho photografic câmeras placed in perpendicular vertical planes, containing the axis of the trajectory, were used. The particular case of drops rising in water and the photograpic method used, are both new to the Best of the author’s knowledge.

[pt] O presente trabalho descreve uma investigação referente ao movimento relativo entre partículas rígidas e fluidas de natureza Newtoniana ou Não-Newtoniana. Experimentos inéditos envolvendo partículas rígidas esféricas e cilíndricas são realizados com o objetivo de se validar uma teoria, que permite que parâmetros relevantes do escoamento perturbem pela presença de partículas rígidas, possam ser calculado em função de parâmetros do escoamento não perturbando-escoamento em ausência da partícula perturbadora. Embora a teoria refira-se, indistintamente, ao escoamento relativo entre a partícula rígida e o fluido, no âmbito do presente trabalho, e sem perda generalidade, estudou-se sempre a queda de partículas em um meio fluido estacionário. Três diferentes classes de sistema fluido-partícula foram investigadas-partícula cilíndrica e fluida Newtoniano, (ii) partícula e fluido Não-Newtoniano e (iii) partícula esférico e fluido Não Newtoniano. Para o caso de fluidos Newtonianos, além de se comprovar a teoria dentro dos limites do domínio de validade inicialmente previstos para esta (Rep menor que 2,0), são realizados experimentos que extrapolam este domínio, obtendo-se resultados surpreendentes, entre os quais, a constatação experimental da validade da teoria - originalmente desenvolvida para o Regime de Oseen, além deste regime. Apresenta-se, também, uma análise física fundamentada nas equações de movimento, objetivando explicar uma complexa transição de comportamento observada. Transição esta que, embora já detectada em trabalhos anteriores, carecia de uma interpretação física adequada. Experimentos envolvendo fluidos Não-Newtonianos puramente viscosos do tipo power law-apresentando diferente valores do expoente power law - 0,75 menor que n menor que 0,91 - e partículas rígidas esféricas ou cilíndricas, foram realizados no regime hidrodinâmico com Reynolds variando de 0,03 a 46. Os resultados obtidos comprovam a validade da teoria, ampliando seu domínio de validade a situações até então não investigadas. Com base no presente trabalho é sugerida uma original abordagem a respeito do comportamento da teoria, com a generalização e ampliação do seu domínio de validade. O trabalho apresenta, também, uma contribuição ao complexo processo de fabricação de fluidos Não-Newtonianos, com propriedades reológicas pré-determinadas, resumindo e criticando outras experiências esparsamente publicadas na literatura. Diferentes técnicas de viscosimetria são testadas objetivando-se a obtenção das propriedades reológicas dos fluidos utilizados. Com base em intercomparações de métodos realizadas, bandas de incerteza mais realistas foram propostas com condicionantes inerentes aos diferentes métodos testados. Finalmente, é apresentado um estudo relativo a influência que a proximidade das paredes do duto exerce na força de atraso viscoso atuante sobre a partícula. / [en] This work describes an investigation concerning the relative motion of solid particles in Newtonian and Non-Newtonian flows. Inedit experiments involving particles of spherical and cylindrical shapes are perfomed in order to validate a theory which allows properties of the disturbed flow to be measured by means of properties of the undisturbed flow. Based on the nature of the governing equations, physical insigts are provided in order to explain a radical change in behavior of the results obtained for particle Reynodls Number greater than 120. Without loss of generality,the present work refers to the free falling of a rigid particle in a stationary fluid, in order to study a more general case concerning the relative motion between the rigid particle and the fluid. There diferent class of fluid particle systems were investigated (i) cylindrical shape particle and Newtonian fluid, (ii) cylindrical shape particle and Non-Newtonian fluid (iii) cylindrical shape particle and Non-Newtonian fluid. Concernig experiments perfomed with Newtonian fluids, in adition to validate the theory within the Ossen regime, experiments were perfomed allowing the validation of theory far beyond the original Ossens regime. Based on these experiments and on the physical analysis of the nature of the governing equations, it is suggested an original analysis to explain the complex transition region observed. Although already quoted in the literature, this complex transition region was never fully explained. Experiments perfomed in Non-Newtonian fluids of the Power Law type, for diferents values of the Power Law expoent(0.75 lower or equal to less than 0,92)and solid spherical or cilyndrical particles, were performed in the hydrodynamical regim having Reynodls Number varying from 0.03 to 46. The obtained results, validate the theory and expand its aplication domains for physical situationsyet not studied. This work extends understanding of the complex process concernig fluid preparation, aiming previously desired rheological properties. Different measuring techniques were tested in order to qualify a method concerting the determination of the reological properties of the fluids employed in this research. Based on the systhematic intercomaparation method perfomed, a more realistic uncertainty band was attributed to each method verified. Finally, the work presents a study of the wall effect proximity on the viscous drag acting on the particle.

[pt] Umas das etapas mais complexas e críticas durante a construção de poços de petróleo é o processo de cimentação primária, definido como: O processo de instalação de cimento no anular entre o revestimento e a formação exposta ao poço [1]. Ela fornece isolamento zonal permanente para evitar contaminação ou migração de fluidos indesejáveis no anular, protege o revestimento da ocorrência de corrosão e fornece estabilidade hidráulica e mecânica para o revestimento ao longo da vida produtiva do poço de petróleo. Neste processo, ainda na etapa de perfuração, irregularidades na seção transversal (washouts) podem ser geradas como resultado de diversos colapsos parciais da seção do poço aberto em decorrência da presença de rochas pouco consolidadas da formação. Uma operação de cimentação primária bem sucedida dependerá se o sistema de fluidos espaçadores e a pasta de cimento deslocam de forma adequada e completa o fluido de perfuração do anular e washouts. Motivados por esse problema industrial, a presente dissertação usa um simulador numérico DNS (Direct Numerical Simulation) com o objetivo de analisar sistematicamente o comportamento hidrodinâmico e calcular a eficiência do deslocamento entre dois fluidos newtonianos miscíveis através de um anular contendo uma expansão seguida de uma contração abrupta. Investigamos como diferentes viscosidades e densidades dos fluidos, um injetado e outro deslocado, a miscibilidade entre eles, a taxa de injeção e a dimensão do washout retangular afetam o escoamento bifásico. Consideramos uma geometria axissimétrica durante processos de deslocamentos verticais, e as equações governantes são resolvidas em coordenadas cilíndricas, permitindo investigar diferentes aberturas anulares. Devido à miscibilidade entre os fluidos, nossos resultados preveem eficiências de deslocamento altíssimas, próximas a 100 Fluidos não-newtonianos são usualmente utilizados durante o processo industrial de cimentação primária de poços de petróleo. Contudo, as altas eficiências de deslocamentos encontradas em nossos resultados motivam estudos futuros sobre a influência da miscibilidade em deslocamentos de fluidos complexos. Estes resultados também motivam o uso de fluidos espaçadores para tentar controlar as propriedades de interface. Desta forma, é possível que a utilização de sistemas que se aproximem das condições reológicas e hidrodinâmicas de deslocamento entre fluidos newtonianos miscíveis poderá contribuir para um aumento da eficiência de deslocamento e, consequentemente, otimizar o processo de deslocamento de sistemas de fluidos, tendo em vista melhorias na integridade da cimentação de poços de petróleo. / [en] One of the most complex and critical stages during the construction ofoil wells is the primary cementing process, defined as the process of installingcement in the annulus between the casing and the exposed formation to thewell [1]. Primary cementing provides permanent zonal isolation to preventcontamination or migration of unwanted fluids in the annulus, protects thecasing from corrosion, and provides hydraulic and mechanical stability forthe casing throughout the productive life of the oil well. In this process,during the drilling stage, irregularities in the cross-section (washouts) can begenerated because of various partial collapses of the open wellbore section dueto the presence of poorly consolidated rocks in the formation. A successfulprimary cementing operation will depend on whether the spacer fluid systemand cement slurry adequately and completely displace the drilling fluid fromthe annulus and washouts.Motivated by this industrial problem, the present dissertation uses aDirect Numerical Simulation (DNS) numerical simulator to systematically analyze the hydrodynamic behavior and calculate the displacement efficiency between two miscible newtonian fluids through an annulus containing an expansion followed by an abrupt contraction. We investigate how different viscositiesand densities of the injected and displaced fluids, their miscibility, injectionrate, and the dimension of the rectangular washout affect the two-phase flow.We consider an axisymmetric geometry during vertical displacement processes,and the governing equations are solved in cylindrical coordinates, allowing theinvestigation of different annular clearances. Due to the miscibility betweenthe fluids, our results predict very high displacement efficiencies, close to 100Non-newtonian fluids are commonly used during the industrial processof primary cementing of oil wells. However, the high displacement efficienciesfound in our results motivate further studies on the influence of miscibilityin displacements of complex fluids. These results also encourage the use ofspacer fluids attempting to control the interfacial properties. Therefore, the useof systems that approximate the rheological and hydrodynamic conditions ofdisplacement between miscible newtonian fluids may contribute to an increasein displacement efficiency and, consequently, optimize the displacement processof fluid systems, aiming at improvements in the integrity of well cementing.