Ingeniero Civil / El presente trabajo está dedicado al estudio de formas de fondo generadas en un lecho de partículas sólidas bajo la acción de un fluido no newtoniano en superficie libre. Con los resultados experimentales se obtienen relaciones adimensionales que describen bajo que condiciones de escurrimiento y propiedades de los granos se generan formas de fondo y otras que caracterizan la evolución de las mismas. Las formas de fondo son ondas sedimentarias resultantes del movimiento de partículas, debido a la acción de un fluido que fluye sobre ellas. Han sido estudiadas por décadas en flujos de agua, el cual corresponde a un fluido newtoniano. Se pueden encontrar tanto en la naturaleza, en los llamados flujos aluviales, como en la industria, en el transporte hidráulico de sólidos. Prácticamente el total de los estudios ha sido realizado utilizando agua pura como fluido, pero se debe tener en cuenta que, dependiendo principalmente de la concentración de sólidos, la mezcla de partículas finas y agua podría comportarse como un fluido no-newtoniano. Las publicaciones en relación con las formas de fondo en fluidos no-newtonianos son bastante escasas. Esta investigación tiene como objetivo general contribuir a llenar el vacío en este campo, al estudiar experimentalmente la aparición y evolución de formas de fondo en flujos con superficie libre, cuando el fluido es no-newtoniano. Para esto se cuenta con una instalación experimental que permite visualizar el movimiento de las partículas sobre el lecho. Para el desarrollo de la investigación, en primer lugar se realiza una revisión de antecedentes. Esto está enfocado básicamente en conocer tanto la metodología utilizada en los experimentos como los resultados obtenidos en el estudio de formas de fondo en flujos de agua pura, además de verificar que estas ondas también se generan cuando actúa un fluido no-newtoniano. Luego se diseña y construye un canal de $4 m$ de largo y sección transversal rectangular de $0.15$ m y $0.2$ m de alto y ancho,respectivamente. El sedimento se compone de micro esferas de vidrio y el fluido utilizado es una mezcla de agua con carboximetilcelulosa (CMC), la que genera un fluido equivalente no-newtoniano. Las observaciones en las experiencias y el posterior análisis de datos permite generar variables adimensionales, tales como: el número de Froude ($Fr$), un número de Reynolds definido como $Re_{Kx}=\frac{\rho u^{2-n}x^n}{K}$ con x la variable $h$,$d$ o $\Delta$ para números de Reynolds asociados al fluido, sedimento o forma de fondo, respectivamente. Además de $\frac{\lambda}{h}$ y $\frac{\Delta}{h}$ que son adimensionales de la longitud y amplitud de onda respectivamente y $c_b=\frac{cgrd}{u_*^3}$ adimensional de la celeridad. Estas variables relacionan propiedades del fluido y del sedimento con características del flujo. Con estas se puede predecir bajo que condiciones hay presencia de formas de fondo. Por otra parte, se obtienen relaciones que ligan las características de las formas de fondo con la reología del fluido. En líneas generales, estos resultados pueden ser aplicados al transporte de relaves mineros en canales abiertos, lo cual se realiza constantemente en el área de la minería.

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Matemáticas Aplicadas. Ingeniero Civil Matemático / Si se representa un medio poroso por medio de una red de tubos por los cuales puede circular un fluido, el problema de escurrimiento a través de un medio poroso se transforma en un problema de cálculo de caudales en una red de tubos interconectadas. La solución de este último problema hace uso de las leyes de conservación clásicas en mecánica de fluidos, complementadas con leyes de comportamiento adecuadas, como lo son los fluidos newtonianos y fluidos tipo Bingham. En cada tubo se hacen simplificaciones tales como suponer un problema cuasiestático, lo que permite trabajar con problemas unidimensionales (acoplados en las conexiones de los tubos) de resolución numérica simple. A continuación, se programa un algoritmo que modela el flujo por una red de tubos capilares que simula un medio poroso. El programa se caracteriza por su versatilidad para poder simular distintos fluidos, y mallas con distintas geometrías. Se realizan distintos experimentos donde se compara con datos experimentales y con la literatura asociada, con el fin de darle mayor robustez al programa.

Ingeniero Civil / El presente trabajo de título es un estudio experimental acerca del fenómeno de la resuspensión viscosa de partículas bajo la acción de un flujo laminar inducido por un gradiente de presiones dentro de un conducto cerrado. Este fenómeno está presente en ciertas instalaciones industriales tales como sedimentadores de flujo inclinado o equipamiento de microfiltración. El objetivo principal del trabajo es verificar cómo se comportan algunos modelos físicos propuestos por otros autores para un flujo de Poiseuille, y proponer eventuales mejoras. Los experimentos se realizaron en un conducto cerrado, de paredes transparentes, con área transversal cuadrada, el cual se encontraba dentro de una cámara oscura y fue llenado con una mezcla de glicerina con agua y partículas esféricas de boyancia negativa a distintas concentraciones. Mediante la instalación de una cámara de alta velocidad normal a las paredes verticales e iluminación adecuada, fue posible medir un plano de intensidades de luz una vez que el fenómeno se encontrara en régimen permanente, a partir del cual se obtuvieron perfiles de concentraciones y alturas de resuspensión para distintas condiciones de alturas iniciales sedimentadas. Se realizaron experiencias para concentraciones en volumen entre 5% al 30% para lechos monodispersos y ligeramente bidispersos (d_max/d_min=1.4) y para caudales de mezclas glicerina-agua entre 3,2 y 10,8 ml/s. Al comparar los resultados experimentales de alturas de resuspensión viscosas con los teóricos, obtenidos con el modelo de Leighton y Acrivos (1986) y el modelo de Shauly et al. (2000) se determinó que el primero se ajustaba bien a los resultados empíricos para el caudal alto y razonablemente bien para el caudal bajo. Sin embargo, el comportamiento general puede considerarse aceptable si se considera que el modelo de Leighton y Acrivos no contiene parámetros ajustables. Por su parte el modelo de Shauly et al. no se ajustaba bien a los datos experimentales, pero contiene una constante empírica K, la cual originalmente fue calibrada para flujos de Couette en geometrías anulares. Mediante un análisis dimensional y posterior calibración con los datos de la presente memoria, se obtuvo una relación entre el coeficiente K, la concentración en volumen de partículas ϕ_s y el número de Shields modificado, Ψ, que representa la relación entre fuerzas viscosas y gravitatorias sobre las partículas. Con el coeficiente K, expresado en función del flujo se obtuvieron buenos ajustes teórico-experimentales para el modelo de Shauly et al., inclusive mejor que para el modelo de Leighton y Acrivos. En cuanto a los perfiles de concentración, los resultados basados en ambos modelos presentan diferencias apreciables al compararlos con los resultados experimentales. Las alturas de la interfaz del material resuspendido obtenidas a partir de perfiles de velocidad predichos por los modelos de Leighton y Acrivos y Shauly et al. concuerdan con las medidas en los experimentos de esta memoria, así como los perfiles de velocidad obtenidos experimentalmente por Schaflinger et al. (1995) en una geometría similar.

Partindo do Método dos Painéis e do Método dos Vórtices, bem conhecidos em Aerodinâmica, desenvolvemos um método para cálculo da distribuição de pressão real sobre a superfície externa de corpos arbitrários, imersos num fluxo estável, levemente viscoso. A abordagem utilizada é predominantemente fenomenológica, e a linha de raciocínio seguida é particularmente direta: ênfase é dada ao entendimento da turbulência - seus mecanismos, origem, espectros, estruturas organizadas e sua aplicação a situações práticas. Como primeira aproximação, foi usado o bem conhecido Método de Painéis de Primeira-Ordem para calcular os campos de pressão e velocidade (sem a separação de camada-limite). Em seguida, as pressões reais (após a separação da camada-limite) foram estimadas através do acoplamento entre o Método de Painéis (que fornece valores iniciais) e o Método dos Vórtices (Chorin, Leonard), usando, para o cálculo da escala dissipativa, as hipóteses de Heisenberg da transferência espectral de energia. Os obstáculos têm formas de automóveis. A fim de simplificar o trabalho numérico, somente foi analisada a secção média longitudinal de corpos simétricos, na qual o fluxo local pode ser considerado quase-bi-dimensional. Todavia, não há, nesse procedimento, nenhuma falta de generalidade. Alguns aspectos importantes da aerodinâmica do automóvel, (tais como forças aerodinâmicas, coeficientes de pressão e de arrasto, etc.), bem como da teoria da turbulência homogênea e isotrópica, também foram estudados. Nossas previsões teóricas estão em bom acordo com os resultados experimentais. Isto mostra a plausibilidade e efetividade de nosso método computacional / From well-estabelished in Aerodynamic Panel Method and Vortex Method, we have developed a method to calculate the real pressure distribution along the external surface of arbitrary bodies immersed in a steady, slightly viscous flow. Our approach is predominantly phenomenological, and our objectives are clearly defined: the understanding of turbulence its mechanism, origin, spectra and organized structures, and its direct application to practical situations. As a first approximation, the well-known first-order Panel Method was used to calculate pressure and velocity fields (without boundary-layer separation). In the following, real pressures (after boundary-layer separation) were estimated coupling the Panel Method (which yields initial values) and Vortex Method (Chorin, Leonard), by using the Heisenbergs spectral energy-transfer hypotheses to calculate the dissipative scale. Obstacles are automobile-shaped. In order tro simplify the numerical calculation only longitudinal midsections of symmetric bodies, in which the local flow can be considered as quasi-two-dimensional, were analyzed. However, there is no lack of generality in such procedure.

Partindo do Método dos Painéis e do Método dos Vórtices, bem conhecidos em Aerodinâmica, desenvolvemos um método para cálculo da distribuição de pressão real sobre a superfície externa de corpos arbitrários, imersos num fluxo estável, levemente viscoso. A abordagem utilizada é predominantemente fenomenológica, e a linha de raciocínio seguida é particularmente direta: ênfase é dada ao entendimento da turbulência - seus mecanismos, origem, espectros, estruturas organizadas e sua aplicação a situações práticas. Como primeira aproximação, foi usado o bem conhecido Método de Painéis de Primeira-Ordem para calcular os campos de pressão e velocidade (sem a separação de camada-limite). Em seguida, as pressões reais (após a separação da camada-limite) foram estimadas através do acoplamento entre o Método de Painéis (que fornece valores iniciais) e o Método dos Vórtices (Chorin, Leonard), usando, para o cálculo da escala dissipativa, as hipóteses de Heisenberg da transferência espectral de energia. Os obstáculos têm formas de automóveis. A fim de simplificar o trabalho numérico, somente foi analisada a secção média longitudinal de corpos simétricos, na qual o fluxo local pode ser considerado quase-bi-dimensional. Todavia, não há, nesse procedimento, nenhuma falta de generalidade. Alguns aspectos importantes da aerodinâmica do automóvel, (tais como forças aerodinâmicas, coeficientes de pressão e de arrasto, etc.), bem como da teoria da turbulência homogênea e isotrópica, também foram estudados. Nossas previsões teóricas estão em bom acordo com os resultados experimentais. Isto mostra a plausibilidade e efetividade de nosso método computacional / From well-estabelished in Aerodynamic Panel Method and Vortex Method, we have developed a method to calculate the real pressure distribution along the external surface of arbitrary bodies immersed in a steady, slightly viscous flow. Our approach is predominantly phenomenological, and our objectives are clearly defined: the understanding of turbulence its mechanism, origin, spectra and organized structures, and its direct application to practical situations. As a first approximation, the well-known first-order Panel Method was used to calculate pressure and velocity fields (without boundary-layer separation). In the following, real pressures (after boundary-layer separation) were estimated coupling the Panel Method (which yields initial values) and Vortex Method (Chorin, Leonard), by using the Heisenbergs spectral energy-transfer hypotheses to calculate the dissipative scale. Obstacles are automobile-shaped. In order tro simplify the numerical calculation only longitudinal midsections of symmetric bodies, in which the local flow can be considered as quasi-two-dimensional, were analyzed. However, there is no lack of generality in such procedure.

Orientador: Luiz Roberto Carrocci / Coorientador: Mauricio Guimarães da Silva / Coorientador: Maurício Araújo Zanardi / Banca: Luiz Roberto Carrocci / Banca: Victor Orlando Gamarra Rosado / Banca: Valesca Alves Corrêa / Banca: Pedro José de Oliveira Neto / Banca: Luis Fernando Gouveira de Moraes / Resumo: Neste trabalho é desenvolvido e apresentado anteprojeto de Túnel de Vento de Sopro (TVS). Para esta finalidade foi desenvolvida ferramenta computacional para análise aerotermodinâmica para Túneis de Vento de Sopro. Neste âmbito é apresentado o estado da arte dos TVS, respectiva descrição sumária de TVS, principais problemas operacionais, pré-dimensionamento com base nos requisitos operacionais, formulação matemática do túnel e do respectivo sistema de controle. Também é feita a apresentação das ferramentas computacionais com base nos requisitos que possam validar a metodologia proposta e são apresentados resultados e respectivas análises destes resultados. Na parte final deste trabalho é apresentada a respectiva validação e os principais resultados obtidos com um anteprojeto de túnel acadêmico / Abstract: In this work it is developed a basic design of a Supersonic Blowdown Wind Tunnel (SBDWT). For this purpose computer programs were developed for design and thermo-aerodynamics analysis for a SBDWT. In this framework it is presented the state of art of SBDWT, brief description of a SBDWT, its main operational problems, pre-design based on operational requirements, and tunnel's mathematical formulation. Also it is described the computational programs based on tunnel's requirements; results are presented, and the corresponding analysis is also discussed. At the last part of this work it is presented the assumptions made for the mathematical modeling, the main results obtained and the validation of the computer programs are emphasized, as well. A the last part of this work there is presented the respective validation and the main results got for an academic draft design of a wind tunnel / Doutor

Orientador: Cesar Costapinto Santana / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-07-14T01:58:58Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Paula_JoseLuizde_M.pdf: 2847961 bytes, checksum: 2f5ab095ce4d4354275ea765efc4e4d4 (MD5) Previous issue date: 1991 / Resumo: Nas operações de fraturamento hidráulico, a perda de carga devido ao atrito, tem sido um fator limitante para a utilização de vazões mais elevadas, o que é desejável para a maior efetividade da operação. A utilização de fluidos de fraturamento à base de soluções aquosas de Hidroxipropilguar, tem possibilitado a utilização de vazões mais elevadas, graças a propriedade de redução do arraste exibida por essas soluções. Neste trabalho, o comportamento reológico das soluções aquosas de HPG com concentrações de 2399 a 5997 ppm foi analisado, tendo sido verificado que os modelos propostos por Ostwald-De- Waele e Herschell-Bulkley descrevem bem o comportamento reológico das soluções analisadas para toda a faixa de taxa de deformação pesquisada. Os resultados experimentais do escoamento turbulento em tubos foram utilizados para analisar o desempenho das correlações de Dodge-Metzner e Shaver-Merril para a predição do coeficiente de atrito. Duas correlações empíricas, uma tipo Blasius e outra tipo Shah, foram também obtidas a partir dos dados experimentais para o escoamento turbulento, tendo sido verificado que os valores do coeficiente de atrito preditos pela correlação tipo Shah são os que mais se aproximam dos valores medidos. O fenômeno de redução do arraste foi observado e quantificado para todas as concentrações de Hidroxipropilguar analisadas / Abstract: In hydraulic fraçturing treatments, pressure loss due to friction in the string has been a limiting factor meanly because high fiow rates are desirable for improvement of the operation effectiveness. Fracturing fiuids based on Hidroxipropilguar in water solutions has made the use of high fiow rates possible because these solutions exibit drag reduction properties. In this work the rheological behavior of the HPG aqueous solutions in concentration between 2399 and 5997 ppm are analyzed. It is verified that the models proposed by Ostwald-De- Waele and HerschellBulkley well describe the rheological behavior of the polymeric solutions in the total shear rate range considered in this work. Experimental results for the turbulent fiow in pipes are compared against correlations proposed by Dodge-Metzner and ShaverMerrill to verify friction loss coeficients. Two empirical correlations (Blasius type and Shah type) are also obtained from experimental data for turbulent fiow. It is verified that friction factor values predicted by the obtained Shah type correlation are in closer agreement to the measured values. The drag reduction phenomenon was observed and quatified for all concentrations of Hidroxipropilguar used in the experiments / Mestrado / Mestre em Engenharia de Petróleo

Orientador: Antonio Carlos Bannwart / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-07-13T22:10:55Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Bianco_LuisCarlosBaralho_M.pdf: 3691727 bytes, checksum: 534d59b6ded81dd0360d43315db9fc38 (MD5) Previous issue date: 1990 / Resumo: Desenvolve-se neste trabalho um estudo a respeito dos fenômenos de escoamento envolvidos nas operações de "jet-lifting", objetivando reduzir o consumo de nitrogênio, maximizar o volume de fluido recuperado e diminuir o tempo de operação. Concebeu-se e foi construída uma coluna de testes, composta de um tubo de produção de 0,062 m DI (2,441 pol) e um "flexitubo" de 0,0254 m DE (1,0 pol) , interno ao primeiro, que procura simular a situação real de operação do "jet-lifting". Determinou-se experimentalmente, os fatores de fricção monofásicos para o escoamento de ar e de água em geometria anular, assim como o fator de fricção para o escoamento de ar no interior de tubo flexível. Para este estudo, foi calculada analiticamente a tensão de cisalhamento média nas paredes de um anular excêntrico. Elaborou-se um modelo numérico baseado na equação do balanço da quantidade de movimento, que procura simular o comportamento do sistema, na determinação das vazões de líquido recuperado. Na análise do escoamento bifásico vertical ascendente, foram utilizados os modelos propostos por Caetano[10], para o cálculo das frações volumétricas médias de líquido e gradientes de pressão e por Zubler & Findlay[70] , para o calculo das vazões de líquido. Da comparação entre os dados obtidos, concluiu-se que o modelo teórico empregado apresenta uma boa concordância com os dados experimentais / Abstract: This work presents a study about the flow phenomena in jet-lifting with the purpose to reduce the nitrogen consumption, to maximize the fluid recovery and to reduce the operation time. A column of tests was designed and built, with a external 2.441 in 1D tubing pipe and a internal 1.0 in OD coiled tUbing, simulating the real situation of the jet-lifting operation. The Fanning friction factor was experimentaly determined for one-phase flow of water, one phase of air and two-phase air-waterin the anular geometry. A numerical model was developed in order to compare theoretical with experimental results / Mestrado / Mestre em Engenharia de Petróleo

Orientador: Cesar Costapinto Santana / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-07-18T12:05:57Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Souza_Newmande_M.pdf: 3175245 bytes, checksum: 92fe7df1c256724db61fce2e1223f523 (MD5) Previous issue date: 1991 / Resumo: A operação de fraturamento hidráulico é um importante instrumento na busca do aumento da produção e das reservas de petróleo em todo o mundo. A produção de jazidas pode ser viabilizada comercialmente através da aplicação desta técnica, mesmo para situações inicialmente consideradas desfavoráveis. O objetivo deste trabalho é apresentar uma avaliação experimental do comportamento da fíÍtração de um fluido empregado regularmente em operações de fraturamento hidráulico. Os ensaios de filtração mais usuais são do tipo estático. Estes testes apresentam a desvantagem de não representar adequadamente o escoamento em uma fratura. Neste trabalho, um equipamento desenvolvido pelo Centro de Pesquisa da Petrobras (Cenpes) para o estudo da invasão de fluidos nas rochas reservatório, pôde ser empregado para avaliar a filtração de um fluido de fraturamento, com a vantagem de permitir tanto a realização de testes dinâmicos como estáticos. Buscou-se ainda, repetir as mesmas condições normalmente verificadas durante uma operação comercial. O fluido utilizado foi uma' solução aquosa de HPG na concentração de 3,6 kg/m3 (30 lb/1000 gal), nas formas reticulada e linear. Dois modelos baseados na teoria simplificada da filtração, foram utilizados para fazer a interpretação dos resultados dos ensaios. Um dos modelos representa melhor a filtração de fluido linear enquanto o outro se ajustou mais ao fluido reticulado. Os resultados obtidos confirmam a maior eficiência do fluido reticulado na contenção da perda de fluido para a formação notadamente quando a permeabilidade da rocha é mais elevada. Destaca-se ainda que a eficiência tanto para o fluido linear como para o reticulado é menor em condição dinâmica do que em condição estática / Abstract: Hydraulic Fracturing is an important instrument in increasing the production and reserves of oil in the world. A subcommercial acummulation could be changed to profitable one by means of hydraulic fracturing. This work intends to present an empirical evaluation of filtration behavior of a fracturing fluid regularly employed in hydraulic fracturing jobs. Static tests are very common in defining the filtration properties of a fracturing fluido However, poor representation of actual flow conditions in the fracture is a handicap to a test of this kind. To avoid this limitation, dynamic and static filtration tests being part of the scope of this work were developed in a specialequipment, designed in Petrobras Research Center (Cenpes) to perform tests of fluid invasion in reservoir rocks. A 3.6 kgjm3 (30 lbjlOOO gal) solution of HPG polymer in water was used, both in crosslinked and linear form. Test result analysis was based in two models describing the classical theory of filtration. Better representation of linear fluid tests was acomplished by one of the models, while the other has fitted very well to crosslinked fluid tests. As expected, efliciency of fracturing fluid is reduced in dynamic filtration conditions. Besides that, high permeability formations cause minor effects in filtration of crosslinked fluids / Mestrado / Mestre em Engenharia de Petróleo

Orientador: Antonio Celso Fonseca de Arruda / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-07-19T04:55:06Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Holleben_CarlosRobertoCarvalhode_M.pdf: 11921017 bytes, checksum: 991b21ecfaf974ae6a6ea8b824e6a674 (MD5) Previous issue date: 1993 / Resumo: A Tomografia Computadorizada de Raios-X (TC) é uma técnica de análise não destrutiva que permite a visualização das estruturas internas dos objetos. Suas principais aplicações na indústria do petróleo são voltadas para a caracterização de rochas reservatório e visualização de fluxo em meios porosos. Neste trabalho são apresentados os principios básicos da técnica e o procedimento para o cálculo da porosidade e das saturações em sistemas bifásicos e trifásicos. Finalmente são mostradas duas aplicações práticas com ênfase na avaliação quantitativa dos parâmetros acima mencionados. Em uma delas, um teste linear de deslocamento, foi possível a observação do fenômeno de end-effect. Na outra, um teste de deslocamento bidimensional, os resultados foram comparados com os obtidos através de uma modelagem teórica, o modelo de linhas de fluxo / Abstract: X-Ray Computerized Tomography (Cf) is a non destructive analysis technique that allows the visualization of the internal structure of an object. Its applications in the petroleum industry include, among others, reservoir rock characterization and multiphase fluid flow studies in pomus media. This work presents the principIes of this imaging technique and the calculation procedures to obtain porosity and saturation for two and three-phase systems. Two practical applications are shown, with emphasis on the quantitative evaluation of those parameters. In the fIrst one, it was possible to visualize the end-effect phenomenon during a linear displacement testo In the second, the results of a bidimensional displacement test were compared with those obtained from a strearnline model / Mestrado / Mestre em Engenharia de Petróleo