Submitted by Claudinei Pracidelli (cpracide@ipen.br) on 2015-03-17T11:00:01Z No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2015-03-17T11:00:01Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Dissertação (Mestrado em Tecnologia Nuclear) / IPEN/D / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP

Este trabalho faz uma nova proposta de método para solucionar a equação advectivodifusiva tridimensional que descreve os escoamentos viscosos incompressíveis. Este método usa um esquema analítico baseado em split seguido de gênese de equações diferenciais. A solução do problema é efetuada em duas etapas distintas. A primeira etapa consiste na aplicação de um split não-homogêneo sobre as Equações de Navier-Stokes, no qual uma das equações do sistema resultante contém a derivada temporal e o termo viscoso, constituindo uma equação diferencial linear não-homogênea. A solução dessa equação é obtida via mapeamento em uma equação de primeira ordem, fornecendo o formato do campo de velocidades. A partir deste se obtém o formato da função corrente para fins de gênese. Desta forma faz-se com que simulações possam ser obtidas usando computadores portáteis e, mesmo assim, requeiram tempo de processamento pequeno para a solução de problemas ditos de engenharia. Estas vantagens podem ser diretamente traduzidas em aplicações práticas de simulação como, por exemplo, a possibilidade de tomada de decisão em tempo real sobre o controle de um processo em andamento numa planta industrial, respostas transientes num escoamento turbulento ou na previsão da dispersão de poluentes em rios e mananciais críticos à saúde da população. / This work proposes a new method to solve the three-dimensional advective-diffusive equation which describes incompressible viscous flows. The proposed solution uses an analytical method based in the split of the original equation, followed by a genesis of differential equa tions. The problem is solved in two distinct steps. The first step consists of applying a nonhomogeneous split on the Navier-Stokes equations, which results in one non-homogeneous partial differential equation containing the time derivative and the viscous term. This equation is solved by mapping it into a first order equation that provides the velocity field format. Using this result we are able to obtain the stream function format, which will be used in the following genesis. This sequence allows the use of portable computers to achieve simulation results for engineering problems in small enough processing time. These advantages can be used in applications such as real- time decision making about industrial processes variables, transient turbulent flow calculations or pollution dispersion simulations in rivers or other water sources critical to the population.

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:45:15Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T13:56:53Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Neste trabalho são apresentados resultados experimentais, de um circuito operando em circulação natural, que permitem analisar o comportamento de um sistema de resfriamento de emergência quando é aberta uma linha de desvio entre a fonte quente e a fonte fria. O trabalho tem ainda a importância de documentar os testes de caracterização hidráulica do circuito experimental, fornecendo inclusive os fatores de perda de pressão específicos para o circuito. Observou-se que, para uma mesma potência, quando é aberta a linha de desvio, a temperatura na saída da fonte quente aumenta substancialmente. Esse aumento ocorre porque a vazão através do aquecedor diminui. A vazão através do trocador de calor (fonte fria) aumenta ligeiramente, sendo sempre a soma das vazões na linha de desvio e no aquecedor. O trabalho mostra ainda que a posição de conexão da linha de desvio com a perna quente determina o sentido de escoamento, podendo ocorrer a inversão a partir de uma determinada cota. Para comprovar a possibilidade de simulação precisa dos experimentos foi ainda desenvolvido um modelo numérico das equações de conservação, utilizando o programa “Engineering Equation Solver” (EES). Esse modelo foi utilizado para reproduzir os experimentos de circulação natural pelo circuito externo. / Dissertacao (Mestrado) / IPEN/D / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN/CNEN-SP

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:44:06Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:07:59Z (GMT). No. of bitstreams: 1 06910.pdf: 5255495 bytes, checksum: 2b74036eb572f767eaeba0ba5d1da193 (MD5) / Dissertacao (Mestrado) / IPEN/D / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN/CNEN-SP

Submitted by Claudinei Pracidelli (cpracide@ipen.br) on 2014-11-10T12:39:03Z No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-11-10T12:39:03Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Este trabalho tem por objetivo estudar as regiões dos canais catódicos de uma célula a combustível de membrana polimérica condutora de prótons PEM unitária, em que há acúmulo de água e os padrões de escoamento desta água nos canais, bem como as condições de operação em que isto ocorre. Esta água acumulada nos canais catódicos tem duas origens distintas, a saber: 1. água produzida na reação de redução do oxigênio no sítio catalítico do cátodo, 2. água de condensação formada a partir do vapor de água proveniente do umidificador de oxigênio. O arranjo experimental desenvolvido permitiu a perfeita visualização dos fenômenos; a saber: iniciando-se com gotículas que emergem da camada de difusão gasosa do cátodo, passando estas gotículas a se aglutinarem por um processo de coalescimento aumentando de tamanho até formarem um filme nas paredes dos canais. Em continuidade a este processo há um adensamento do filme com a formação de bolsões (slugs) de água líquida que ocupam a área de passagem do oxigênio nos canais. O bloqueio da passagem do oxigênio pelo bolsão de água líquida no canal impede que o oxigênio alcance os sítios catalíticos da camada catalítica do cátodo onde ocorre a reação de redução do oxigênio, cessando desta forma a reação, constituindo-se num dos mais sérios problemas das células a combustível do tipo membrana polimérica, uma vez que afeta diretamente o desempenho da célula. A formação contínua desses slugs e seu agrupamento é um fenômeno denominado de encharcamento (flooding) da célula. Para se observar estes fenômenos que ocorrem no interior dos canais catódicos utilizou-se de um protótipo de célula a combustível transparente unitária de 5 cm² de área geométrica cuja placa de fechamento foi feita de policarbonato transparente. A célula foi alimentada com o combustível hidrogênio pelo lado do ânodo e com o oxidante oxigênio pelo lado do cátodo. Nos experimentos utilizou-se um espectro de temperaturas variando de 25ºC a 55ºC. A temperatura máxima da célula ficou limitada a 55ºC uma vez que o policarbonato começa a se degradar com água a 60ºC por isso não se utilizando temperaturas na faixa de 70ºC a 90ºC que são as temperaturas de operação das células PEM comerciais. As vazões de oxigênio e de hidrogênio usadas foram de 60 mL min-1 e de 100 mL min-1 respectivamente. A faixa de potencial variou de 0,1 V a 1,0 V. Foram utilizados cargas de platina de 0,4 mg cm-2 no eletrodo anódico e no eletrodo catódico. Os resultados experimentais foram comparados aos resultados numéricos na forma de curvas de polarização que medem o desempenho da célula apresentando uma boa concordância entre si, deste modo validando o modelo numérico usado. Para fazer a modelagem matemática da placa com os canais catódicos usou-se o software comercial COMSOL Multiphysics 4.3a, no qual se implementou uma função chave que indica o equilíbrio líquido/vapor, obtendo-se como resultados numéricos a distribuição de saturação em um espectro de temperaturas de 25ºC a 55ºC e de potenciais de 0,1 V a 1,0 V. / Tese (Doutorado em Tecnologia Nuclear) / IPEN/T / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP

Submitted by Claudinei Pracidelli (cpracide@ipen.br) on 2015-03-17T11:00:01Z No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2015-03-17T11:00:01Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Neste trabalho foram analisados diferentes parâmetros geométricos para canais de fluxo em células a combustível tipo PEMFC e sua influência no desempenho do sistema, utilizando a fluidodinâmica computacional. Na análise dos modelos matemáticos, verificou-se que o modelo de aglomerado inundado descreve com maior fidelidade o comportamento de células a combustível, enquanto as equações de Butler-Volmer não consideram as perdas por transporte de massa. Foram avaliadas as seções transversais retangular, trapezoidal e em degrau. O modelo com canais de seção retangular apresentou desempenho elétrico ligeiramente superior, porém os canais com seção trapezoidal propiciam um melhor gerenciamento de água. Em todos os aspectos estudados, os canais com seção em degrau se comportaram de forma análoga aos canais com seção trapezoidal, porém sua construção é menos complexa. Também foram analisadas as configurações serpentina e interdigitada em células de 5 cm², e sua influência na uniformidade da densidade de corrente. Não foram observadas diferenças significativas quanto à eficiência elétrica entre células com as duas configurações. A configuração interdigitada propiciou distribuição mais uniforme de geração de corrente, pois os reagentes são fornecidos em alta concentração por uma maior área da célula. Assim, esta configuração é preferível para aumento de escala. / Dissertação (Mestrado em Tecnologia Nuclear) / IPEN/D / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP

O método de Floquet foi utilizado para estudar a transição da esteira de dois cilindros posicionados lado a lado. Quando os cilindros estão afastados, cada cilindro possui sua própria esteira e para espaçamentos grandes (T/D > 4) a principal influência do cilindro ao lado é a sincronização das esteiras em anti-fase. A esteira em anti-fase corresponde a um escoamento simétrico em relação à linha central, igualmente espaçada em relação aos dois cilindros. Para espaçamentos com T/D < 3, a esteira em fase visualizada por Williamson (1985) é observada. A análise de Floquet da esteira em anti-fase simétrica encontrou um modo que quebra a simetria e induz a transição para esteira em fase. Reduzindo o espaçamento diversos modos complexos apresentam multiplicadores de Floquet que crescem e se tornam dominantes para T/D = 2 coincidindo com o surgimento de esteira irregular. A aproximação dos cilindros também afeta o surgimento de tridimensionalidades no escoamento. Os modos A e B de Williamson (1996b) observados para o cilindro isolado ainda existem, mas observa-se uma supressão do modo B. Por outro lado, o modo A se torna instável para Re menores. A esteira em fase também apresenta os modos A e B, mas neste caso, o modo B se torna instável para Re menores que o observado por Williamson. / The Floquet method was used to study the transition in the wake of two side-by-side circular cylinders. When the cylinders are far apart, each cylinder presents its own wake and for large spacing (T/D > 4) the main influence from the neighboring cylinder is an anti-phase synchronization of the wakes. The antiphase wake corresponds to a symmetric flow in relation to the mid-line between cylinders. When T/D < 3 the in-phase wake described by Williamson (1985) is also observed. The Floquet analysis of the symmetric anti-phase wake found an unstable mode that breaks the symmetry and triggers the transition to in-phase vortex-shedding. As the spacing is further reduced, several complex modes have Floquet multipliers that grow with the decreasing spacing and when T/D = 2 they become dominant suggesting an important role on the irregular wake regime. The presence of the neighboring cylinder also affects the transition to three-dimensional wake. Modes A and B described by Williamson (1996b) for the isolated circular cylinder are still observed but mode B is suppressed as the spacing decreases. On the other hand, mode A becomes unstable for lower Re numbers. The in-phase wake also presents modes A and B but in this case, mode B becomes unstable for lower Re numbers when compared to the single circular cylinder.

Orientador: Rosângela Barros Zanoni Lopes Moreno / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-20T08:21:26Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Silveira_BrunoMarcodeOliveira_M.pdf: 1762377 bytes, checksum: cbdcb4c20dc00b869c37775090896cf4 (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: As recentes descobertas do pré-sal no Brasil trouxeram novos desafios para as atividades de explotação de petróleo. Perfuração em formações carbonáticas apresentam grandes diferenças em relação a perfurações em rochas areníticas. Enquanto arenitos são mais homogeneos, rochas carbonáticas podem apresentar significativas variações em relação ao tamanho e à distribuição de poros, refletindo na produtividade de formação, como também na operação e manutenção de produção. A produtividade dos poços é avaliada logo após a perfuração dos mesmos, uma vez que danos à formação produtora podem alterar suas características originais. Diante disso, fluidos especificamente formulados para perfurar o reservatório, conhecidos como fluidos drill-in, vem sendo estudados com vistas à otimização da perfuração e à minimização de dano. Estes fluidos são desenvolvidos de acordo com as características do reservatório a ser perfurado e testes em laboratórios são necessários para que se possa adequar a formulação do fluido de perfuração com o menor custo, além de avaliar a invasão na rocha e verificar o possível dano residual para os fluidos candidatos. Este trabalho visa a comparação da invasão de fluidos drill-in e fluxo reverso de óleo em amostras de carbonatos e de arenitos de forma a avaliar a influência do tipo de rocha no dano à formação e sua interação com o fluido de perfuração testado. Os testes foram realizados usando dois aparatos experimentais diferentes, um para amostras com cerca de 7 cm de comprimento e outro para amostras medindo cerca de 30 cm, ambas com diâmetro de aproximadamente 3,7 cm. Os ensaios foram executados em amostras de carbonato e de arenito com permeabilidades absolutas ao gás semelhantes e submetendo-as ao respectivo protocolo de teste, cujas etapas incluíam a preparação das amostras, a caracterização de escoamento multifásico, a invasão com fluido de perfuração e o fluxo reverso de óleo. A invasão foi induzida por meio de um diferencial de pressão positivo através das amostras saturadas com óleo na condição de água conata, simulando o reservatório. O fluxo reverso ou deslocamento de óleo no sentido oposto ao de invasão representou a produção de óleo bem como a limpeza natural do reservatório. Durante a caracterização foi possível observar que as amostras de carbonatos utilizadas são menos molháveis à água em comparação aos arenitos. Com os resultados obtidos com o aparato utilizado para as amostras mais longas, foi possível identificar o deslocamento da frente de fluido invasor por meio dos pontos de medida de pressão distribuídos ao longo da amostra. A dinâmica de escoamento apontou que a invasão do fluido de perfuração foi mais rápida para as amostras de carbonatos em comparação com as amostras de arenito. Na etapa de fluxo reverso, pode-se observar que as amostras de carbonato apresentaram um retorno de produtividade maior e mais rápido relativamente aos arenitos / Abstract: The recent pre-salt discoveries in Brazil have brought new challenges to oil exploitation activities. Drilling in carbonate formations differs widely of drilling in sandstone rocks. While sandstones are more homogeneous, carbonate rocks are characterized by a large range of size and distribution of pores, which reflects in the reservoir productivity, as well as in the operation activities and production maintenance. The productivity and changes of original reservoir's characteristics due to formation damage are evaluated after drilling. Then fore, drilling fluids specifically designed to cross pay-zone, known as drill-in fluids, have been studied aiming at drilling optimization and damage minimizing. These fluids are developed according to the drilled reservoir characteristics and laboratory tests are performed to obtain proper drilling fluids formulations as fluid invasion and clean up are evaluated. The objective of this work is to compare drill-in fluids invasion (water-based polymer fluid) and backflow of oil in carbonates and sandstones samples to assess the rock type influence in damage formation and their interaction with the tested drilling fluid. Tests were run using two different apparatus, one for samples ~7,0 cm long and another for samples ~30 cm long, both with ~3,7 cm diameter. Lab tests were performed using carbonate and sandstone samples, with similar absolute permeability. These samples were submitted to a proper test protocol, that includes samples preparation, multiphase flow characterization, invasion and backflow processes. Damage formation was induced by injecting drill-in fluid with a positive differential pressure through samples saturated with oil and connate water, simulating the reservoir. Oil displaced in the opposite flow direction was performed to simulated natural cleanup or oil production. During the samples characterization, it was possible to observe that tested carbonate samples were less water wet than sandstones ones. From the results obtained with the apparatus used with longer samples, it was possible to identify the drill-in fluid displacement through pressure observation points distributed throughout the sample. The flow dynamics pointed out that the drilling fluid invasion was faster for carbonate samples comparing to sandstone samples. However, in backflow stage, a higher and faster productivity restoration was observed for carbonate samples than for sandstone ones / Mestrado / Reservatórios e Gestão / Mestre em Ciências e Engenharia de Petróleo

Fluids, mainly H2O and CO2, are released from H- and C-bearing phases during prograde metamorphism. Because of the buoyancy of these fluids, they rise within the crust towards the surface of the Earth. Metamorphic fluids take advantage of permeable horizons, shear zones, fold hinges, fractures, and are channelled into high-flux zones. Fluid fluxes for channelized fluid flow may exceed background pervasive fluxes by several orders of magnitude. Metamorphic fluids react with the surrounding rock during fluid flow, and altered zones are commonly observed adjacent to high-flux conduits. Fluid-altered rock is texturally, mineralogically, chemically, and isotopically different from rock unaffected by fluid flow. In this thesis, fluid-rock interaction is studied at two localities in the Scottish Highlands: Glen Esk and the Isle of Islay. Glen Esk is one of the type localities used by George Barrow (1853-1932) to propose the concept of metamorphic zones and metamorphic index minerals as an approximate determination of metamorphic grade. In several of the metamorphic zones in Glen Esk, index mineral distribution is highly dependent on proximity to veins. The occurrence of index minerals is therefore not only controlled by pressure and temperature, but also by the availability of metamorphic fluids. Evidence of a retrograde fluid flow event from the North Esk Fault is observed in Glen Esk, for which a time-averaged fluid flux of 0.0003 – 0.0126 m3∙m-2∙yr-1 is calculated. The duration of the fluid event is estimated to between 16 and 334 kyr. On the Isle of Islay, kyanite is observed in rocks of chlorite or lower-biotite metamorphic grade, i.e. much lower temperatures than usually associated with kyanite formation. The favoured explanation for this is retrograde infiltration of extremely high-CO2 fluids, at least locally XCO2 &gt; 0.7, at ~340°C, which altered these rocks and stabilised kyanite in a carbonate-bearing assemblage. Oxygen and carbon stable isotope profiles across the Islay Anticline reveals highly channelized fluid flow along the axial region of this fold, with fluid:rock ratios at least four times higher than in rock farther away from the fold. Although carbon and oxygen isotope ratios of metacarbonate rocks were altered along the Islay Anticline, negative anomalies observed below and above the Port Askaig Tillite Formation cannot solely be attributed to metamorphic fluid flow, which implies that these rocks to varying degree retain their primary paleoclimatological isotopic signatures. / Stora volymer H2O och CO2 frigörs som fluider under prograd metamorfos. Metamorfa fluider har lägre densitet än det omgivande berget, varför de stiger genom jordskorpan mot jordytan. Metamorfa fluider kanaliseras i permabla lager, skjuvzoner, veckaxlar, sprickor och andra högflödeszoner. Kanaliserade fluidflöden kan vara flera storleksordningar högre än bakgrundsvärdet för fluidflöde inom en bergart. Metamorfa fluider reagerar under transport med det omgivande berget och bildar fluidomvandlade zoner i anslutning till högflödeskanaler. Fluidomvandlat berg uppvisar texturella, mineralogiska, kemiska och isotopsammansättningsmässiga skillnader i jämförelse med berg som inte utsatts för fluidomvandling. I denna avhandling behandlas reaktioner mellan fluid och berg som studerats i två lokaler i de skotska högländerna: Glen Esk och Islay. Glen Esk är en av de typlokaler som George Barrow (1853-1932) använde för att lägga fram konceptet om metamorfa zoner och metamorfa indexmineral som används för att ungefärligt uppskatta metamorf grad. I flera av de metamorfa zonerna är förekomsten av indexmineral i hög grad beroende av närhet till kvartsådror, vilket visar att bildandet av indexmineral inte bara styrs av tryck och temperatur, utan också av åtkomst till metamorfa fluider. I Glen Esk finns också spår av ett fluidflöde från North Esk-förkastningen, under retrograda metamorfa förhållanden, för vilket mededfluidflödet över tid uppgår till 0.0003 – 0.0126 m3∙m-2∙år-1. Denna fluidflödeshändelse beräknas ha pågått mellan 16 000 och 334 000 år. På ön Islay i de sydvästra högländerna återfinns bergarter, som trots sin låga metamorfa grad i klorit- eller biotitzonen innehåller mineralet kyanit, dvs. temperaturer långt under vad som vanligen associeras med kyanitbildning. Detta förklaras med infiltration av fluider med extremt hög CO2-halt, åtminstone lokalt så högt som XCO2 &gt; 0.7, vid ca. 340°C. Fluidomvandling av dessa bergarter stabiliserade kyanit tillsammans med karbonatmineral. Syre- och kolisotopprofiler över Islayantiklinen påvisar hög kanalisering av fluider längs dess veckaxeln. Förhållandet mellan fluid och berg var mer än fyra gånger så högt i närheten av veckaxeln jämfört lokaler längre ifrån densamma. Påverkan av metakarbonatbergarters isotopförhållanden har skett längs Islayantiklinen, men fluidpåverkan kan inte ensamt förklara de isotopanomalier som observerats under och ovan Port Askaig-tilliten, varför dessa bergarter kan ha bibehållit sin primära paleoklimatologiska isotopsignatur. / <p>At the time of the doctoral defense, the following papers were unpublished and had a status as follows: Paper 2: Submitted. Paper 3: Manuscript.</p>

O método ISPH (do inglês, Incompressible Smoothed Particle Hydrodynamics) é um método de aproximação livre de malha que, através de um conjunto finito de partículas e uma formulação completamente Lagrangeana, permite a solução de diversos tipos de escoamentos. Entretanto, sua aplicação para escoamentos bifásicos ainda é um desafio, principalmente no que refere-se à manutenabilidade da interface entre fluidos. Diante disso, nesta tese é apresentado o desenvolvimento de um código numérico baseado no método ISPH, sendo propostas duas técnicas de tratamento de interface. Para tanto é realizado um estudo a cerca do método, considerando diferentes metodologias, e analisando pontos específicos, tais como a solução do campo de pressões. São apresentados resultados que mostram a eficácia do método, tanto em escoamentos monofásicos, quanto em escoamentos multifásicos, onde, neste caso, são destacadas as melhorias obtidas através das técnicas de tratamento de interface propostas. Por fim, é realizado um estudo do comportamento de misturas bifásicas, com referência ao fenômeno da inversão de fase / Incompressible Smoothed Particle Hydrodynamics (ISPH) method is a meshless approximation that has been used to simulate several types of fluid flows, through a finite particle set and fully lagrangian formulation. The application of ISPH method in two-fluid flow simulations however, has presented many challenges, specially related to the presence of the interface between different fluids. Thus, we present in this study the development of a numerical code based on ISPH, introducing novel interface treatment techniques. A thorough study about this method is provided, considering different methodologies and analysing specific points such as the position of the interface and the obtained pressure field. Results have been presented to show the methods developed in this thesis efficiently simulate two-fluid flows, illustrating the improvements achieved by the proposed interface treatment techniques. Finally, a study of biphasic mixture behavior is carried out with reference to phase inversion phenomena