As the demand of oil and gas is increasing, using the existing reservoirs more efficiently as well as searching for new reservoirs is mandatory. Most undiscovered reservoirs are in deep or ultra-deep offshore locations, where drilling to such targets are very difficult with the available fluid circulation technology, since there exists a significant frictional pressure loss due to extreme long wellbores. In order to reduce the frictional pressure losses inside the drillstring, frictional drag reducers are used. Frictional drag reducers are mostly high molecular weight linear polymer molecules and can be used with water or hydrocarbon based solvents. The system used in this study is Baroid EZ-Mud water solutions. Baroid EZ-Mud is a liquid polymer emulsion containing partially hydrolyzed polyacrylamide / polyacrylate (PHPA) co-polymer. This study aims to observe the performance of EZ-Mud as a frictional drag reducer. For this purpose, a flow loop that consisted of a circular pipe where the frictional pressure losses can be observed under various flow rates and concentrations is developed. Pipe flow experiments were performed using water-based mud generated using different concentrations of Baroid EZ-Mud at different flow rates. Differential pressure values were recorded for each run. Rheological properties of each mud sample were determined using Fann (Couette) viscometer in order to determine the theoretical frictional pressure losses. Theoretical and measured frictional pressure losses were compared. Results showed that, as the concentration of EZ-Mud was increased, considerable frictional drag reduction as high as 60% was observed. Based on the experimental data obtained from the flow loop using EZ-Mud with different concentrations, a friction factor correlation as a function of Reynolds Number and EZ-Mud concentration is developed. The proposed correlation performance was also compared with the existing correlations from the literature. It has been observed that, frictional pressure losses using the developed friction factor could be estimated within an error range of maximum 15 %, whereas, the existing models could not predict frictional pressure losses as accurate as the proposed model.

The effects of microbubbles injection in the boundary layer of a turbulent channel flow are investigated. Electrolysis demonstrated to be an effective method to produce microbubbles with an average diameter of 30 ??m and allowed the placement of microbubbles at desired locations within the boundary layer. Measurement of velocity fluctuations and the instantaneous wall shear stress were carried out in a channel flow facility. The wall shear stress is an important parameter that can help with the characterization of the boundary layer. This parameter can be obtained indirectly by the measurement of the flow pressure at the wall. The wall shear stress in the channel was measured by means of three different independent methods: measurement of the pressure gradient by a differential pressure transducer, Particle Image Velocimetry (PIV), and an optical wall shear stress sensor. The three methods showed reasonable agreement of the wall shear stress values for single-phase flow. However, differences as skin friction reductions were observed when the microbubbles were injected. Several measurements of wall-pressure were taken at various Reynolds numbers that ranged from 300 up to 6154. No significant drag reduction was observed for flows in the laminar range; however, a drag reduction of about 16% was detected for turbulent Reynolds numbers. The wall-pressure measurements were shown to be a powerful tool for the measurement of drag reduction, which could help with the design of systems capable of controlling the skin friction based on feedback given by the wall-pressure signal. The proposed measurement system designed in this work has capabilities for application in such diverse fields as multiphase flows, drag reduction, stratified flows, heat transfer among others. The synchronization between independent systems and apparatus has the potential to bring insight about the complicated phenomena involved in the nature of fluid flows.

No description available.

Since the discovery of the drag reduction effects of even small amount of macromolecules in solutions in turbulent pipe flows, there have been many experimental and theoretical studies in order to understand mechanisms behind this phenomenon. Theories have been proposed based on the observations on the change in the characteristics of the turbulent flow near the pipe wall where friction of the momentum transfer between the flow and the conduit takes place. In this study drag reduction in fully developed turbulent pipe flow with four concentrations (200 to 500 wppm) of low molecular weight Sodium Carboxymethylcellulose (CMC) in aqueous solutions was investigated experimentally. Drag reduction was determined by pressure drop measurements. In order to observe the impact of the presence of CMC on the flow, Ultrasound Doppler Velocimetry (UDV) was employed to monitor the instantaneous velocity distributions. UDV is a non-invasive technique allowing one to obtain quick velocity profiles. Experimental measurements were used to calculate Fanning friction factor and radial distributions of the axial time-averaged velocity, velocity fluctuation (turbulent intensity) and eddy viscosity. The drag reduction level was determined through the Fanning friction factor versus Reynolds number data. Velocity data could be obtained as close as 3 mm to the wall by UDV. Two impacts of increasing CMC concentration on the flow field, hence pressure drop, were observed. The first effect was the decrease of the mean velocity gradient especially near the wall with increasing polymer amount which in turn gave rise to lower friction factor or pressure drop. In addition smaller eddy viscosities were obtained in the flow. The second impact of the polymer addition was on the velocity fluctuation or turbulent intensity variation along the radial distribution. An increasing trend in turbulence intensity in the turbulent core with polymer addition was observed. This was in agreement with the earlier studies in which similar turbulence behavior was observed in addition to the suppression of the turbulent intensities near the wall

Esta tese apresenta os resultados da utilização de superfícies com microcanais como método de controle passivo de escoamento visando à redução do arrasto turbulento. Obtém-se essa redução pelo aumento da anisotropia das tensões de Reynolds junto à parede, situação em que o estado da turbulência se torna localmente axissimétrico e a uma componente. Utilizam-se as equações de Navier-Stokes para formular os escoamentos e o modelo de transporte de Tensões de Reynolds para computar as quantidades turbulentas. Aproximam-se essas equações pelo Método dos Volumes Finitos e a solução numérica é computada com o solucionador Star-CCM+ v. 8.06. Propõe-se um modelo de predição de redução de arrasto para uma placa plana com microcanais de seção retangular e dimensões geométricas variáveis, aplicando a formulação e o método numérico para calcular a anisotropia das tensões de Reynolds, o estado da turbulência e a redução de arrasto relativamente a uma placa de superfície lisa e de mesma área molhada. No capítulo de análise e discussão emprega-se o triângulo de Lumley-Pope para determinar o estado da turbulência e a trajetória de retorno à isotropia do escoamento, após verificar a incerteza numérica e validar o resultado com o modelo de predição e o da teoria da placa plana. Conduzem-se as análises quantitativas examinando as tensões de cisalhamento, as tensões de Reynolds e a morfologia do escoamento em pontos do interior e em superfícies lisas e adjacentes aos microcanais. Conclui-se apresentando uma visão geral dos resultados e propondo alternativas de desdobramento e continuidade deste trabalho. / The potential reduction of turbulent drag is investigated for flows over a flat plate with streamwise aligned microgrooves. For this purpose, the connection between the anisotropy of the Reynolds stresses and drag reduction effect is presented, and a model is developed in order to estimate the drag reduction potential according to flow and geometrical settings. The Navier-Stokes transport equations particularized for incompressible flows are used to describe the fluid motion, and the turbulence quantities are evaluated using the linear pressure-strain Reynolds stress transport model. The quantities are estimated using the Finite-Volume Method, which is applied to a set of grids with different refinement levels and groove topologies. After validating the numerical results against the predictions of the proposed model, and the theoretical estimates available in the literature, the author discusses the drag reducing effect by examining the state of turbulence in the microgrooves, also providing an assessment on the anisotropy of the Reynolds Stresses inside, near and outside the grooves. In the final chapter, conclusions are drawn, and outlooks of possible extensions to this work are suggested.

Esta tese apresenta os resultados da utilização de superfícies com microcanais como método de controle passivo de escoamento visando à redução do arrasto turbulento. Obtém-se essa redução pelo aumento da anisotropia das tensões de Reynolds junto à parede, situação em que o estado da turbulência se torna localmente axissimétrico e a uma componente. Utilizam-se as equações de Navier-Stokes para formular os escoamentos e o modelo de transporte de Tensões de Reynolds para computar as quantidades turbulentas. Aproximam-se essas equações pelo Método dos Volumes Finitos e a solução numérica é computada com o solucionador Star-CCM+ v. 8.06. Propõe-se um modelo de predição de redução de arrasto para uma placa plana com microcanais de seção retangular e dimensões geométricas variáveis, aplicando a formulação e o método numérico para calcular a anisotropia das tensões de Reynolds, o estado da turbulência e a redução de arrasto relativamente a uma placa de superfície lisa e de mesma área molhada. No capítulo de análise e discussão emprega-se o triângulo de Lumley-Pope para determinar o estado da turbulência e a trajetória de retorno à isotropia do escoamento, após verificar a incerteza numérica e validar o resultado com o modelo de predição e o da teoria da placa plana. Conduzem-se as análises quantitativas examinando as tensões de cisalhamento, as tensões de Reynolds e a morfologia do escoamento em pontos do interior e em superfícies lisas e adjacentes aos microcanais. Conclui-se apresentando uma visão geral dos resultados e propondo alternativas de desdobramento e continuidade deste trabalho. / The potential reduction of turbulent drag is investigated for flows over a flat plate with streamwise aligned microgrooves. For this purpose, the connection between the anisotropy of the Reynolds stresses and drag reduction effect is presented, and a model is developed in order to estimate the drag reduction potential according to flow and geometrical settings. The Navier-Stokes transport equations particularized for incompressible flows are used to describe the fluid motion, and the turbulence quantities are evaluated using the linear pressure-strain Reynolds stress transport model. The quantities are estimated using the Finite-Volume Method, which is applied to a set of grids with different refinement levels and groove topologies. After validating the numerical results against the predictions of the proposed model, and the theoretical estimates available in the literature, the author discusses the drag reducing effect by examining the state of turbulence in the microgrooves, also providing an assessment on the anisotropy of the Reynolds Stresses inside, near and outside the grooves. In the final chapter, conclusions are drawn, and outlooks of possible extensions to this work are suggested.

Esta tese apresenta os resultados da utilização de superfícies com microcanais como método de controle passivo de escoamento visando à redução do arrasto turbulento. Obtém-se essa redução pelo aumento da anisotropia das tensões de Reynolds junto à parede, situação em que o estado da turbulência se torna localmente axissimétrico e a uma componente. Utilizam-se as equações de Navier-Stokes para formular os escoamentos e o modelo de transporte de Tensões de Reynolds para computar as quantidades turbulentas. Aproximam-se essas equações pelo Método dos Volumes Finitos e a solução numérica é computada com o solucionador Star-CCM+ v. 8.06. Propõe-se um modelo de predição de redução de arrasto para uma placa plana com microcanais de seção retangular e dimensões geométricas variáveis, aplicando a formulação e o método numérico para calcular a anisotropia das tensões de Reynolds, o estado da turbulência e a redução de arrasto relativamente a uma placa de superfície lisa e de mesma área molhada. No capítulo de análise e discussão emprega-se o triângulo de Lumley-Pope para determinar o estado da turbulência e a trajetória de retorno à isotropia do escoamento, após verificar a incerteza numérica e validar o resultado com o modelo de predição e o da teoria da placa plana. Conduzem-se as análises quantitativas examinando as tensões de cisalhamento, as tensões de Reynolds e a morfologia do escoamento em pontos do interior e em superfícies lisas e adjacentes aos microcanais. Conclui-se apresentando uma visão geral dos resultados e propondo alternativas de desdobramento e continuidade deste trabalho. / The potential reduction of turbulent drag is investigated for flows over a flat plate with streamwise aligned microgrooves. For this purpose, the connection between the anisotropy of the Reynolds stresses and drag reduction effect is presented, and a model is developed in order to estimate the drag reduction potential according to flow and geometrical settings. The Navier-Stokes transport equations particularized for incompressible flows are used to describe the fluid motion, and the turbulence quantities are evaluated using the linear pressure-strain Reynolds stress transport model. The quantities are estimated using the Finite-Volume Method, which is applied to a set of grids with different refinement levels and groove topologies. After validating the numerical results against the predictions of the proposed model, and the theoretical estimates available in the literature, the author discusses the drag reducing effect by examining the state of turbulence in the microgrooves, also providing an assessment on the anisotropy of the Reynolds Stresses inside, near and outside the grooves. In the final chapter, conclusions are drawn, and outlooks of possible extensions to this work are suggested.

Orientadores: Antonio Carlos Bannwart, Edvaldo Sabadini / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica e Instituto de Geociências / Made available in DSpace on 2018-08-18T05:50:39Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Destefani_ThaisCristina_M.pdf: 2402197 bytes, checksum: 41c2a60d04751d025a08cd311d99302a (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: A redução de atrito hidrodinâmico tem importantes aplicações em engenharia de petróleo, propiciando a produção e o transporte de petróleo ou seus derivados a vazões mais altas. As dimensões continentais do território brasileiro implicam na necessidade de uma eficiente rede de distribuição de derivados de petróleo, como por exemplo, o óleo diesel. O presente trabalho visa investigar o desempenho de dois agentes redutores de atrito (ARA's) comerciais que, injetado em ínfimas proporções (da ordem de ppm) em uma tubulação de escoamento de diesel, podem causar significativa diminuição em sua tensão de cisalhamento turbulenta, reduzindo a queda de pressão por atrito durante seu escoamento no interior de um tubo. Em uma primeira fase, as amostras com e sem ARA foram testadas em um reômetro, utilizando uma cela tipo Couette, avaliando a proporção do torque aplicado no diesel puro e no diesel com ARA, a uma mesma velocidade angular. Com uma concentração de 7 ppm foi observada uma redução de atrito da ordem de 13% e 18% para cada um dos aditivos. A avaliação da redução do atrito em tubulação consiste na comparação do diferencial de pressão obtido para escoamento de diesel com e sem ARA em um trecho de tubo. Estes experimentos mostram uma redução de atrito de 48% e 58% na injeção de 50 ppm de cada um dos aditivos estudados. Apesar dos experimentos em reômetro terem maior rapidez, controle de variáveis e menor consumo de materiais, o escoamento no interior da cela Couette é diferente em relação ao escoamento em tubulações. No entanto, os testes em tubulações são mais próximos das demandas reais, sendo assim importantes para o entendimento do fenômeno / Abstract: The drag reduction has important applications in petroleum engineering, allowing production and transportation of oil and derivatives at higher flow rates. The continental dimensions of Brazil implies the necessity for an efficient distribution network for oil products, such as diesel. This study aims to investigate the performance of two commercial drag reduction agents (DRA's), injected in very small proportions (the order of ppm) in a diesel fuel pipe flow. This injection may induce significant decrease in the turbulent shear stress, reducing the pressure drop by friction during the flow inside a tube. In a first step, samples with and without DRA were tested in a rheometer using a Couette cell type. The ratio of torque applied in pure diesel and diesel with DRA were analyzed at the same angular velocity. Using 7 ppm of concentration for both DRA, it was observed drag reduction of the order of 13% and 18% for each additives. The analysis of drag reduction in pipe flow involves the ratio of pressure differential by the flow of diesel with and without DRA in a section of tube. These tests show a drag reduction of 48% and 58% with 50 ppm for each DRA studied. Despite the rheometer experiments offer greater speed, control variables and lower consumption of materials, the flow inside the Couette cell is different compared with flow pipes. However, tests on pipes are closer to real demands therefore important for understanding the drag reduction phenomenon. With these experimental data, it is expected to determine correlations between tests in pipeline and rheometer, estimating the turbulence effect in these two systems / Mestrado / Explotação / Mestre em Ciências e Engenharia de Petróleo

Orientador: Edvaldo Sabadini / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Química / Made available in DSpace on 2018-08-18T08:47:56Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Ito_ThiagoHeiji_M.pdf: 9507666 bytes, checksum: 9c5cb27aa349ff6d08d87d4e89723fb2 (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: A formação, estabilidade e aplicações das micelas gigantes têm sido amplamente estudadas. Estes sistemas são muito interessantes devido ao seu comportamento reológico similar aos polímeros. Porém, as micelas gigantes são espécies supramoleculares mantidas por ligações não-covalentes, portanto, sob alta turbulência, podem resistir à degradação mecânica, além de promoverem redução de atrito hidrodinâmico devido ao efeito Toms. Neste estudo, a formação e estabilidade das micelas gigantes formadas pela combinação de surfatantes catiônicos e diferentes compostos aromáticos, foram estudadas sistematicamente. A redução de atrito foi observada medindo o torque aplicado à solução para manter a turbulência. A temperatura do sistema foi progressivamente aumentada, mostrando o ponto específico em que as micelas gigantes são termicamente destruídas. Baseado neste estudo foi possível estabelecer a ordem em termos de estabilidade: ácido orto-hidróxicinâmico (OHCA) ~ salicilato > tosilato > ácido orto-metóxi-cinâmico (OMCA) > fenol. Para benzoato e metóxibenzoato não foi observada a formação de micelas gigantes. Estes resultados revelam algumas interações peculiares entre a cabeça do surfatante e a molécula aromática. Em regimes semidiluídos, começa haver entrelaçamentos das macroestruturas, formando géis de Maxwell, assim, a reologia oscilatória foi usada para determinar G¿, G¿ e o tempo de relaxação em função da frequência. Apesar de G0 ser praticamente o mesmo, o tempo de relaxação parece ser sensível à composição de co-soluto, seguindo a seguinte ordem: fenol < OMCA < tosilato < OHCA ~ salicilato. Experimentos de calorimetria e espalhamento de luz também foram utilizados para corroborar com os experimentos de reologia / Abstract: The formation, stability and applications of worm-like micelles have been widely studied. These systems are very interesting because their rheological behavior is similar to the polymeric one. However, the worm-like micelles are supramolecular species maintained by non-covalent bonds, thus, upon high turbulence, they resist to mechanical degradation, besides, they promote the drag reduction due to Toms Effect. In this study, the formation and stability of worm like micelles formed by the combination of cationic surfactants and different aromatic compounds were systematically studied. The drag reduction was observed by measuring the torque applied to the solution to maintain the turbulence. The system temperature was then progressively enhanced, revealing the specific point in which the worm-like micelles are thermally destroyed. Based in such study it was possible to establish the order in terms of stability: orthohydroxycinnamic acid (OHCA) ~ salycilate > tosylate > orthomethoxycinnamic acid (OMCA) > phenol. For benzoate and methoxybenzoate, no worm-like micelles are observed. These results reveal some peculiar interactions between the head of the surfactant and the aromatic molecules. In more concentrated regime, chains of the wormlike micelles undergo entanglements, forming typical Maxwell gels. The oscillatory rheology was used to determine G¿, G¿ and the relaxation time as a function of the frequency. Although G0 is practically the same, the relaxation time is quite sensitive to the composition of the co-solute, following order: phenol < OMCA < tosylate < OHCA ~ salycilate. Calorimetric and light scattering experiments were carried out to corroborate the rheological experiments / Mestrado / Físico-Química / Mestre em Química

Orientador: Edvaldo Sabadini / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Química / Made available in DSpace on 2018-08-23T10:56:52Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Strauss_DarleneLuziaFelix_M.pdf: 3817957 bytes, checksum: 2557a153a7468c4a1f482e242b50bfea (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: É conhecido que surfactantes agregam-se através de interações hidrofóbicas, formando espontaneamente estruturas supramoleculares em solução aquosa. A formação destas macroestruturas pode alterar significativamente a viscoelasticidade da solução. Essas estruturas diferem dos polímeros por serem sistemas que estão num processo constante de quebra e recombinação numa escala finita de tempo que é dependente das propriedades físico-químicas dos sistemas. Foram estudados os efeitos do cisalhamento intenso de soluções aquosas de micelas gigantes formadas pela combinação de CTAB com salicilato de sódio em diferentes concentrações do co-soluto (NaSal). Os experimentos foram realizados em um reômetro, sendo que a estabilidade térmica das micelas gigantes foi avaliada usando a propriedade deste sistema supramolecular em produzir significativas reduções de atrito hidrodinâmico. Três temperaturas características foram observadas, T0, T1 e T2, que são atribuídas respectivamente à fusão de cadeias, ruptura dos pontos de fusão e quebra das micelas em menores fragmentos. A concentração de co-soluto afeta diretamente a estabilidade térmica das soluções, quanto maior a razão co-soluto/surfactante maior a temperatura de quebra das micelas (T2). Outro fator importante é a taxa de cisalhamento, pois até certo limite, quanto maior a taxa de cisalhamento maior a T2. Foi estudado também o comportamento de estruturas induzidas por cisalhamento (SIS), que é uma propriedade característica desses sistemas, utilizando o reômetro, em que se aplicou um cisalhamento intenso e depois se monitorou o comportamento de relaxação das estruturas formadas durante o cisalhamento. Para entender melhor este comportamento foi realizado um estudo cinético em função da temperatura para verificar a cinética de relaxação das mesmas às estruturas iniciais. A temperatura tem grande influência sobre a manutenção das estruturas induzidas por cisalhamento, pois quanto maior a temperatura aplicada ao sistema mais rápida e a volta à estrutura inicial. Assim, o Modelo de Arrhenius foi aplicado para determinar a energia de ativação de uma das etapas / Abstract: It is known that surfactants spontaneously self-assemble through hydrophobic interactions in aqueous solutions generating supramolecular structures. The formation of these macrostructures can modify significantly the solution viscoelasticity. These structures differ from polymers because these systems are in a constant break and recombination process in a limited time scale dependent of its physical-chemistry properties. The effects of intense shear on aqueous solution of wormlike micelles formed by CTAB and sodium salicylate combination in different co-solute (NaSal) concentrations were studied. The experiments were performed in a rheometer, where the thermal stability of worm-like micelles was evaluated applying drag reduction studies that is a particular property of this supramolecular system. Three characteristic temperatures are observed, T0, T1 e T2, that correspond respectively to the chains fusion, break of fusion points and micelles break into minor fragments. The co-solute concentration directly affects the solutions thermal stability, as higher the co-solute/surfactant ratio as higher the micelles break temperature (T2). Other important factor is the shear rate, until certain limit, the higher the shear rates the higher T2. The behavior of shear induced structures (SIS), that is a characteristic property of these systems, was also studied using the rheometer where an intense shear was applied and then the relaxation behavior of the formed structures was monitored under shear. For better understanding of this behavior, a kinetic study as a function of the temperature was accomplished to verify the relaxation kinetics of the SIS to the initial structures. The temperature has a critical influence under the maintenance of shear induced structures, because the higher the temperature applied at the system the faster the return to the initial structures. Thus, Arrhenius model was applied to determine the activation energy from one of the steps / Mestrado / Físico-Química / Mestra em Química