Static Whirling Rods: Past researchers suggested that “static instabilities” exist at certain rotational speeds of whirling rods. This thesis shows these instabilities are an artefact of the material constitutive laws that are being used well outside their range of applicability. An alternative approach is developed where strains due to rotation are separated from the superimposed vibration. This enables the generally predicted lowering of longitudinal natural frequencies with rotational speed shown to be simply a result of the bulk changes in the geometry of whirling rods. Steady state equations of whirling rods are formulated in Lagrangian coordinates. Due to the non-linear nature of the governing equations, an original numerical method is applied to solve the problem. Numerical results are compared with analytical results obtained from the linearized uniaxial model. There is a close agreement between these two models at low angular velocities. However, at high angular velocities, discrepancies between them arise, confirming that the nonlinear strain-displacement relationship has significant effect on the results and the inferred “static instabilities”. This approach first solves the “static” problem of the deformed geometry of a highly strained whirling rod before longitudinal natural modes are determined by classical methods. Furthermore, conditions for existence and uniqueness of solutions are derived. Dynamic Rotating Annuli: In-plane modes of vibration of annular plates are investigated. Two different models of equations one from Bhuta and Jones and the other from Biezeno and Grammel that govern the rotational motions of annuli will be studied. Since Biezeno and Grammel’s model was originally derived in Eulrian coordinates, their model will be transformed to the Lagrangian coordinates for the purpose of comparison with Bhuta and Jones’ model. / The solutions of the equations assume small oscillations of vibration being superimposed on the steady state of the annulus while it is in rotation. Exact and approximate solutions are obtained for the Bhuta and Jones’ model, where the approximate solutions on in-plane displacements and natural frequencies are acquired by ignoring the Coriolis effect. A proposed numerical scheme is implemented to solve the governing equations coupled with radial and circumferential displacements. Uniqueness of solutions will be mentioned although it will not be rigorously derived because it is out of the scope of this thesis. Approximate analytical results show that both radial and circumferential natural frequencies are decreasing when the rotational speed of an annulus is increasing. The exact and numerical results on both models that take the Coriolis effect into account show that radial natural frequencies are increasing and circumferential natural frequencies are decreasing when the rotational speed of an annulus is increasing.

Orientador: Carlos Alberto Gasparetto / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-07-19T19:22:56Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Vasques_EdsonJose_D.pdf: 28909521 bytes, checksum: 7dd2e1b167146eca156e0c3c102b43a9 (MD5) Previous issue date: 1994 / Resumo: O presente trabalho é um estudo sobre os escoamentos anulares, onde se destacam os mapas de velocidades para os sistema excêntricos. Estes mapas foram obtidos através de: (i) algoritmos que foram desenvolvidos utilizando as soluções de Snyder 8c Goldstein (1965) para o regime laminar e (ii) da técnica da inversa:o geométrica como apresentada por Ozgen & Tosun (1987) para os escoamentos laminares e turbulentos. Esta técnica transforma um sistema anular excêntrico em um sistema concêntrico, permitindo estender os poucos pontos disponíveis, experimentais ou de soluções analíticas, para abranger praticamente toda a área da secção transversal do escoamento. Foram utilizados como base de referência turbulento os resultados experimentais de Jonsson & Sparow (1966) . Dez sistemas anulares excêntricos foram selecionados. Cinco para cada regime de escoamento ... Observação: O resumo, na íntegra, poderá ser visualizado no texto completo da tese digital / Abstract: This work deals with annular flows in concentric and eccentric systems. For the latter, we highlight velocity maps. These maps were obtained from: (i) algorithms created by us, based on the SNYDER & GOLDSTEIN (1965) solutions for the laminar flow case and (ii) the geometric inversion technique as presented by OZGEN & TOSUN (1987) for laminar and turbulent flows. The Latter transforms an eccentric annulus system into a concentric system allowing thereafter to probe the complete flow area through a few available points which can be obtained either experimentally or via analytic solutions. We took JONSSON & SPARROW (1966)'s experimental data for velocities as starting point for our calculations for the turbulent case. Ten eccentric annuli systems were selected, five for each flow regime ... Note: The complete abstract is available with the full electronic digital thesis or dissertations / Doutorado / Doutor em Engenharia Mecânica

[pt] Escoamentos de fluidos não Newtonianos são comumente encontrados em processos industriais. Deste modo, é importante conhecer bem o efeito dos processos sobre a reologia desta classe de fluidos, assim como o inverso, ou seja, conhecer o efeito da interferência da reologia de tais fluidos sobre os processos. Fluidos não Newtonianos exibem complexidade no seu comportamento mecânico, não encontrada nos fluidos Newtonianos, como, por exemplo, dependência da viscosidade com a taxa de cisalhamento e a existência de uma tensão-limite de escoamento não nula. Verifica-se, atualmente, a existência de uma ampla lacuna na literatura no que diz respeito µa compreensão da interação de fluidos não newtonianos em diferentes geometrias de escoamento, em particular sob o ponto de vista térmico. Algumas geometrias, por serem mais comuns nas linhas industriais, têm recebido maior atenção nas investigações sobre o referido aspecto, como, por exemplo, os casos do tubo circular e do espaço anular. Encontra-se uma maior quantidade de trabalhos publicados de estudos analíticos ou de simulação numérica, enquanto que são raros os artigos baseados em investigações experimentais. No presente trabalho, o qual teve como motivação a avaliação do comportamento térmico de um poço de petróleo durante sua perfuração, estudou-se experimentalmente o efeito da reologia do fluido no processo de transferência de calor em espaços anulares e, também, em tubos. O objetivo foi determinar o coeficiente interno de transferência de calor (Número de Nusselt) para o caso de parede interna com fluxo de calor uniforme e parede externa adiabática para o anular e fluxo de calor uniforme para o tubo. Utilizou-se um fluido do tipo viscoplástico, que reproduz bem o comportamento do fluido de perfuração, em diferentes concentrações, no intuito de se observar a influência da reologia do fluido no escoamento não isotérmico. Diferentes razões de raios do espaço anular foram estudadas. Os resultados experimentais mostram que, em escoamentos laminares e completamente desenvolvidos, a reologia do fluido não afeta a transferência de calor no espaço anular, sendo esta, fundamentalmente, dependente da geometria. Estes resultados estão de acordo com previsões teóricas recentemente publicadas, e a principal contribuição do presente trabalho é confirmar este resultado surpreendente, que torna mais simples os projetos envolvendo o escoamento de materiais viscoplásticos em espaços anulares sob as condições de contorno investigadas. / [en] Non-Newtonian fluids flow are very common in industrial processes, so it is important to know both the effect of the process on the fluid and vice-versa. Non-Newtonian Fluids exhibit complex mechanical behavior not found in Newtonian fluids, such as shear-rate-dependent viscosity and non-zero Yield stress. Nowadays there is a lack of understanding in the literature of the interaction among non-Newtonian fluids and different flow geometries, particularly as far as heat transfer is concerned. Some geometries are found more frequently in industrial processes, being, accordingly, a more frequent subject of research. Among these are the tubes and annuli. Most of the published articles about this subject are analytical studies or numerical simulations, while those based on experimental investigations are rather scarce. This work is focused in the evaluation of the thermal behavior of oil wells during the flow of the drilling fluid. The effect of fluid rheology on heat transfer in annular spaces and circular tubes was investigated experimentally. The purpose was to determine the convective heat transfer coefficient (Nusselt number). The boundary conditions for the annuli were uniform heat flux at the inner wall and adiabatic outer wall, while, for the tube, the heat flux at the wall was kept constant and uniform. To mimic the drilling fluid mechanical behavior, the working fluids were viscoplastic liquids at different concentrations. For the annuli, different radius ratios were studied. The experimental results showed that, for laminar and fully developed flow in the annuli, the fluid rheology does not affect the Nusselt number, which is governed by the radius ratio only. These results are in agreement with recently published theoretical predictions, and the main contribution of this work is to confirm this surprising result, which renders simpler the projects involving non-Newtonian fluids flowing in annuli under the thermal boundary conditions investigated.

Orientadores: Vivaldo Silveira Junior, Javier Telis Romero / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Alimentos / Made available in DSpace on 2018-08-06T15:00:42Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Gratao_AnaCarolinaAmaral_D.pdf: 2034155 bytes, checksum: 7a7cc4a961cab6b38ae3dc5ee5f3f9d8 (MD5) Previous issue date: 2006 / Doutorado / Engenharia de Alimentos / Doutor em Engenharia de Alimentos

[pt] O estudo de escoamentos no espaço anular é de fundamental importância para a compreensão do processo de cimentação de poços. A lama de perfuração deve possuir propriedades reológicas tais que garantam um bom desempenho na lubrificação/ resfriamento das brocas, no carreamento de cascalho até a superfície, bem como na manutenção da pressão do poço através da coluna hidrostática. Durante o processo de cimentação, esta lama deve ser removida e substituída por uma pasta de cimento. O cimento tem a função de revestir a parede da formação, promovendo estabilidade mecânica e prevenindo infiltrações. O processo de substituição ocorre pelo deslocamento de um fluido por outro no espaço anular entre a formação rochosa e o revestimento. Para melhorar o processo de cimentação, utilizam-se fluidos intermediários (colchões lavadores ou espaçadores), entre os fluidos principais. Deste modo, é importante conhecer o efeito da reologia de tais fluidos sobre o processo de deslocamento. Lama de perfuração e pasta de cimento têm comportamento viscoplástico. Tais materiais possuem uma tensão limite de escoamento, abaixo da qual sua viscosidade é extremamente elevada. Entretanto, após este limite, estes materiais passam a ter comportamento pseudoplástico, isto é, a viscosidade decresce em função da taxa de deformação. Colchão lavador apresenta comportamento newtoniano. Foi utilizado o modelo reológico SMD (Souza Mendes e Dutra) para descrever a viscosidade dos fluidos não newtonianos. Nesse trabalho foi analisado numericamente o processo de deslocamento de um fluido por outro em geometria horizontal não retilínea. A perfuração de poços horizontais utiliza técnicas para alterar a direção da broca, onde a aplicação de forças corrige o direcionamento da broca. Entretanto, é obtido um perfil senoidal após a perfuração, devido à técnica de compensação vertical da direção. A geometria analisada será desenvolvida em ziguezague, para representar esta característica. Para simular o processo de deslocamento tridimensional foi utilizado um software comercial baseado na técnica dos volumes finitos, e o método VOF (Volume of Fluid). Foram estudadas duas etapas do processo. Na primeira situação, o fluido deslocador (não newtoniano) simula a pasta de cimento enquanto o deslocado (newtoniano) simula o colchão espaçador. Na segunda situação, o fluido deslocador (newtoniano) simula o colchão espaçador enquanto o deslocado (não newtoniano) simula a lama de perfuração. A forma da interface entre os fluidos foi analisada variando-se as propriedades reológicas e a vazão, para determinar a eficiência do deslocamento. Perfis pontiagudos sugerem uma indesejável deficiência de remoção do fluido deslocado. Por outro lado, perfis achatados indicam um deslocamento mais eficiente. Com base nesses resultados foi possível prever quais parâmetros operacionais aperfeiçoam o processo de deslocamento. / [en] The study of flows in the annulus is essential for the understanding of the cementing process of oil wells. The drilling mud must have rheological properties to guarantee a good performance in the drill lubricating/ cooling, dragging cuttings until the surface, as well as keeping the well pressure due the hydrostatic column. During the cementing, this mud must be removed and substituted by cement slurry. The cement has the function to coat the wall of the formation, promoting the mechanical stability and preventing infiltrations. The process of substitution occurs by the displacement of a fluid by another one in the annulus between the rock formation and the casing. To improve the cementing process, intermediate fluids (washing or spacers) are used between the drilling mud and the cement slurry. Therefore, it is important to know the effect of the rheology of such fluids on the displacement process. Drilling mud and cement slurry have a viscoplastic behavior. Such materials have yield stress, below which the viscosity is extremely high. However, after this limit, these materials have pseudoplastic behavior, that is, viscosity decreases as a function of the deformation rate. The washing fluid presents newtonian behavior. The rheological model SMD (Souza Mendes and Dutra) was used to describe the viscosity of the non-newtonian fluids. In this work, the process of displacement of a fluid for another one in non-straight horizontal wellbore was numerically analyzed. The drilling of horizontal wells uses a rotary steering technique aiming the drill positioning, adjusting the steering vector. However, a sine profile drilling is gotten, due to the technique of vertical compensation of the direction. Analyzed geometry will be developed in zigzag, to represent this behavior. It was used a commercial software to simulate the tree-dimensional displacement process, using the finite-volume technique, and the VOF (Volume of Fluid) method. Two steps of the process had been studied. In the first situation, the displacer fluid (non-newtonian) simulates the cement slurry while the displaced (newtonian) simulates the spacer fluid. In the second situation, the displacer fluid (newtonian) simulates the spacer fluid while the displaced (non-newtonian) simulates the drilling mud. The interface shape between the fluids has being evaluated varying the rheological properties and the flow, to determine the displacement efficiency. Accented profiles suggest an undesirable fingering of the displacer fluid through the displaced one. On the other hand, flattened profiles indicate a more efficient displacement. Based on these results, it was possible to predict which operational parameters optimize the displacement process.

Northern pike or pike Esox lucius is total piscivorous fish species found in the brackish and freshwater ecosystems of the Northern hemisphere. It is a top predator and keystone species that causes cascading effects in these ecosystems. Otoliths have been used to estimate age and growth rates in most fishes. Cleithra have generally have been used in Pike due to opaque nature of the otoliths. The aim of this study was to develop a method for age and growth estimation of pike using sagittal otoliths and carry out age and growth rates estimation of four sub populations; Dunöbäcken, Kårehamn, Oknebäcken and Väderön that represent freshwater and brackish water spawning sites. Determination of growth rates differences between sub populations was done for the first 2 years of their life. The methods included burning of the otoliths, fixing the otoliths in the epoxy resin, polishing of otoliths and staining with Alizarin red, Silver nitrate solution, Tetracycline and alkaline Lugol's solution with observation under light, dissecting and epifluorescence microscopes. Four methods tested based on staining with Alizarin red, Silver nitrate, alkaline Lugol's solution and burning otoliths. Provided useful results and not the method with Tetracycline. Alkaline Lugol's solution staining method was chosen and further developed. There was a significant difference in the relative growth rates between the sub population from brackish water spawning site of Väderön and the sub population from freshwater spawning site of Kårehamn in the first year (One-way ANOVA:F value 3.18, p value 0.0356) and after Tukey post hoc test (p value 0.0362). No difference among sub populations from the freshwater spawning sites. There was no difference in growth rates between any other sub populations in the second year. The importance of the study is successful application of Lugol's solution staining method for age and relative growth estimation studies with otoliths in pike. / EcoChange

[pt] Na perfuração de poços é necessária a utilização de um fluido de perfuração que apresenta diversas funções. Esse fluido retorna para superfície pelo anular formado entre a coluna de perfuração e o poço, sendo fundamental a correta previsão desse escoamento. Uma análise dessa situação é extremamente complexa, uma vez que o fluido tem comportamento não Newtoniano, a coluna de perfuração apresenta rotação e é excêntrica, sendo que a excentricidade pode não ser constante ao longo do poço. Os trabalhos disponíveis na literatura estudam os efeitos da rotação e do comportamento do fluido, mas consideram a excentricidade constante. No presente trabalho as equações de conservação de quantidade de movimento e massa que governam o escoamento serão simplificadas utilizando a teoria da lubrificação, resultando em um problema com solução mais simples e baixo custo computacional. Modelos similares desprezam o efeito de curvatura, sendo válidos somente para razões de raio próximas da unidade. A formulação desenvolvida considera todos os termos, dando origem a uma teoria de lubrificação em coordenadas cilíndricas. A simplificação resulta em uma equação diferencial para o campo de pressão. O comportamento do fluido será avaliado através do método da Viscosidade Newtoniana Equivalente. A partir da solução é possível avaliar o perfil de velocidade que varia ao longo da coordenada axial. Os resultados foram validados a partir de soluções disponíveis na literatura (excentricidade constante). Além disso, os efeitos da variação da excentricidade no fator de atrito foram estudados e a existência de escoamento azimutal mesmo sem rotação da coluna foi observada. / [en] In drilling operation of wells it is necessary to use a drilling fluid that has many functions. Flow in the annular space between the drill pipe and the well occurs during the return to the surface. The correction prediction of this flow is important and the complete study is very complex: the fluid has non-Newtonian behavior, the drill pipe is rotating and a varying eccentricity of the drill pipe is possible. Previous analyses in the literature study effects of the rotation and the rheological behavior of the fluid, but consider a constant eccentricity along the axial coordinate. In this work, the equations of momentum and mass conservation that govern the flow is simplified by the lubrication approximation and a twodimensional problem that has simple solution and lower computational cost is obtained. Similar models available neglect the curvature and are only accurate for radius ratio close to one. The formulation developed in this work considers all terms, leading to a lubrication approximation in cylindrical coordinates. The consequence of this approximation is a differential equation for the pressure field. The rheological behavior of the fluid will be evaluated using the method of Equivalent Newtonian Viscosity. With pressure field is possible to determinate the velocity that varies along axial coordinate. The accuracy of the model was analyzed using solutions available in literature (constant eccentricity case). The results show the effects of the variation of the eccentricity on the friction factor and the existence of azimuthal flow even without rotation of the drill pipe.

No description available.

[pt] Durante a perfuração e cimentação de poços de petróleo e gás, diversos fluidos circulam no espaço anular formado entre a coluna de revestimento e a formação rochosa. A boa aderência do cimento à  formação e à  coluna de revestimento depende de quão bem o fluido de perfuração É deslocado para fora do espaço anular pelos fluidos lavadores e espaçadores e de quão bem a pasta de cimento desloca esses últimos. Falhas na cimentação podem comprometer a vedação hidráulica do poço causando sérios danos ambientais e perdas na produção. Portanto, é importante estudar o processo de deslocamento de fluidos em espaços anulares e determinar as condições que garantam a eficiência de deslocamento. Neste trabalho foi investigado experimentalmente o deslocamento de fluidos para regimes laminares em um espaço anular formado por cilindros concêntricos. A eficiência de deslocamento foi associada à configuração da interface formada entre os fluidos. Foram realizados testes de visualização na planta experimental existente no laboratório e foi construí­da uma nova planta experimental em menor escala. Na nova planta experimental, foi verificada a possibilidade da adição, ao fluido deslocador, de micropartículas que refletem a luz incidida por feixes de laser formando um plano de vizualização. A maior dificuldade observada para a utilização desta técnica foi encontrar fluidos com í­ndices de refração parecidos. Foram estudados o caso de um fluido newtoniano mais viscoso deslocando um menos viscoso e vice-versa para trás diferentes vazões.Foi observado que quanto menor a vazão, mais plano é o formato da interface entre os fluidos, o que indica um deslocamento mais eficiente. / [en] While drilling and cementing oil and gas wells, a number of fluids circulate in the annular space between the casing and the rock formation. Good cement bonding to the formation or the casing depends on how well the drilling mud can be washed out of the annular space by spacer and washer fluids, and on how well the cement slurry displace the last ones. Failure in cementing can compromise the hydraulic sealing of the well causing serious environmental damages and production losses. Therefore, it is important to study the displacement process of fluids in annular spaces and determine the conditions that guarantee displacement efficiency. In this work fluids displacement in laminar flows were investigated in an annular space formed by concentric cylinders. The displacement efficiency was related to the interface shape between the fluids. Visualization tests were performed in the experimental apparatus existent in the laboratory and a new experimental apparatus was built in a smaller scale. On the new experimental apparatus, the possibility creating a visualization plane by adding tracer particles that reflect the light coming from laser beams to the displacing fluid was verified. The greater difficulty for using this technique is to find fluids with similar refraction indices. The cases of a more viscous Newtonian fluid displacing a less viscous one and vice versa were studied for three different flow rates. Was observed that for lower flowrates, the interface shape is flatter and that indicates a better displacement efficiency.

[pt] O escoamento em um espaço anular parcialmente obstruído é estudado para uma geometria entre cilindros concêntricos. A obstrução parcial é uma primeira aproximação de um escoamento em um espaço anular com um leito de cascalhos sedimentado que ocorre no processo de perfuração de poços para produção de óleo e gás, particularmente no caso de poços inclinados e horizontais. A presença de uma placa de obstrução parcial promove a assimetria no escoamento de tal modo que interfere na formação do regime de vórtices de Taylor. O campo de velocidade para esses escoamentos foi obtido via solução numérica e experimental. Nas simulações numéricas, as equações de conservação de massa e quantidade de movimento linear foram resolvidas para um escoamento de fluido newtoniano e não newtoniano pela técnica de volumes finitos. Os resultados experimentais foram obtidos a partir de campos instantâneos e médios de velocidade em planos meridionais do espaço anular usando a técnica de velocimetria por imagens de partículas (PIV). As medições focalizaram a obtenção do número de Reynolds rotacional crítico e a obtenção do perfil de velocidade axial passando pelo olho do vórtice. Os resultados mostram que o número de Reynolds crítico é diretamente afetado pelo grau de obstrução do espaço anular, assim como a largura dos vórtices de Taylor. O resultado dos perfis de velocidade axial calculados concorda bem com os resultados obtidos experimentalmente. A transição para o regime de vórtices de Taylor também é bem prevista pelo método numérico. Os resultados numéricos para a largura dos vórtices de Taylor não apresentam boa concordância, dependendo das condições de contorno estipuladas. A presença da placa de obstrução parcial promove uma recirculação circunferencial no escoamento que interage com o escoamento de vórtices de Taylor formando um escoamento complexo a partir de níveis de obstrução moderados. / [en] The flow inside a horizontal annulus due to the inner cylinder rotation is studied. The bottom of the annular space is partially blocked by a plate parallel to the axis of rotation, thereby destroying the circumferential symmetry of the annular space geometry. This flow configuration is found in the drilling process of horizontal petroleum wells, where a bed of cuttings is deposited at the bottom part of the annulus. The velocity field for this flow was obtained both numerically and experimentally. In the numerical work, the equations which govern the threedimensional, laminar flow of Newtonian and non-Newtonian liquids were solved via a finite-volume technique. In the experimental research, the instantaneous and time-averaged flow fields over two-dimensional meridional sections of the annular space were measured employing the particle image velocimetry (PIV) technique, both for Newtonian and power-law liquids. Attention was focused on the determination of the onset of secondary flow in the form of distorted Taylor vortices. The results showed that the critical rotational Reynolds number is directly influenced by the degree of obstruction of the flow. The influence of the obstruction is more perceptible in Newtonian than non- Newtonian liquids. The larger is the obstruction, the larger is the critical Taylor number. The height of the obstruction also controls the width of the vortices. The calculated steady state axial velocity profiles agreed well with the corresponding measurements. Transition values of the rotational Reynolds number are also well predicted by the computations. However, the measured and predicted values for the vortex size do not agree as well. Transverse flow maps revealed a complex interaction between the Taylor vortices and the zones of recirculating flow, for moderate to high degrees of flow obstruction.