Made available in DSpace on 2014-06-11T19:29:13Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2003-07-30Bitstream added on 2014-06-13T20:48:14Z : No. of bitstreams: 1 santos_fl_me_ilha.pdf: 5580224 bytes, checksum: 7664797be424662e0d0d1021e9ee4dc5 (MD5) / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / Em função da concentração de material sólido, misturas resultantes de argila e água conferem, via de regra, propriedades não-Newtonianas. Essa concentração passa a variar com a granulometria e a composição do mineral do sedimento, bem como com a qualidade da água. Algumas tentativas foram feitas na busca de melhor explicar a reologia e a dinâmica global dessas misturas nessa última década, notadamente no contexto de lavas torrenciais e misturas hiperconcentradas. Essa dissertação de mestrado tem por objetivo desenvolver uma caracterização reológica de misturas sólido-líquido (água+argila caulinítica e água+areia fina+argila caulinítica) com diferentes concentrações em volume (Cv) para as quais são determinadas, a partir de ensaios de reometria de precisão, as propriedades tais como a viscosidade aparente, tensão crítica de cisalhamento e curva de tensão de cisalhamento x taxa de deformação. Verificou-se, em condições controladas, a influência da temperatura, pH e concentração em volume (Cv) sobre a curva reológica dessas misturas, além de eventuais fenômenos de tixotropia e modo de preparo. O modelo reológico melhor ajustado para as argilas foi o de Herschel-Bulkley ( ( )n τ =τ c + k γ& ), onde: τ é a tensão de cisalhamento; τc é a tensão crítica (ou rigidez inicial); k é um termo de consistência (viscosidade aparente); n é o índice de escoamento; e dy γ& = du é a taxa de deformação. Obtém-se também, a partir de uma análise quantitativa global, leis de evolução dos diversos parâmetros reológicos em função da concentração em volume. Após a etapa de caracterização física e reológica das misturas, realizaram-se, sob condições controladas, ensaios dinâmicos através de escoamentos de lamas em canal inclinado. Nesses ensaios foram medidos os parâmetros lâmina normal, vazões... ; n is flow index; and dy γ& = du is shear rate. It is also obtained, from a global quantitative analysis, evolution laws of the several rheologics parameters in function of the solid volume concentration. After the stage of rheological and physical characterization of mixing samples, dynamics experiments were made, under controlled conditions, than the flow of mud was observed in the open channel. These analyses were made in order to examine the behavior of parameters such as: normal depth, discharge and velocities. In fact, the experience showed that is possible to deduce wall friction laws from the rheological proprieties based on high mud concentrated suspensions and the dynamic of these muds.

Orientador: Geraldo de Freitas Maciel / Banca: Cassio Roberto Macedo Maia / Banca: Mônica Feijó Naccache / Resumo: Rompimentos de Barreira são fenômenos caracterizados por um campo de escoamento inicialmente represado e submetido nos instantes subseqüentes a uma liberação abrupta. Diversos modelos matemáticos e leis de comportamento reológico podem ser associados a este problema e cada um deles deve ser estudado e compreendido de maneira a predizer, a partir de testes físicos e numéricos, sua adequação à descrição da evolução espaço-temporal de frentes resultantes deste fenômeno, tipo ruptura de barragem, retendo água , rejeitos ou materiais de reologia complexa. O desenvolvimento de técnicas analíticas possibilitou entender de maneira impar o desenvolvimento desses fenômenos, porém, a difícil obtenção de dados que alcançassem consonância com aqueles obtidos experimentalmente, demonstrava a fragilidade desse tipo de análise perante a descrição de sistemas dinâmicos complexos. Sendo assim, optou-se pela tentativa de recriar estes fenômenos a partir de técnicas que utilizassem a manipulação de equações governantes completas. Sistemas contínuos podem ser analisados através de aproximações discretas, resultando em valores realísticos, muito próximos aos obtidos experimentalmente, e a capacidade computacional atual, permite diminuir sensivelmente os erros envolvidos, aumentando cada vez mais a consistência física destes métodos. Neste trabalho utilizou-se o software comercial ANSYS-CFX para simular os fenômenos de ruptura de barreira, configurando a reologia de dois materiais, o Carbopol 940 representando um material de reologia complexa (Herschel-Bulkley) e o Glicerol (Newtoniano), esses dados foram então confrontados com os obtidos experimentalmente através de um modelo em escala reduzida. Campos de velocidade, pressão e evolução temporal das frentes foram analisadas, verificando-se valores com grande consonância entre numérico e experimental, mostrando uma grande consistência física dos métodos utilizados / Abstract: The Dam Break problem is a phenomenon characterized by a flow field initially dammed and submitted in the subsequent moments of an abrupt release. Various mathematical models and laws of rheological behavior may be associated with this type of problem and each must be studied and understood in order to predict from physical and numerical tests the temporal evolution of their fronts resulting from this phenomenon, type Dan Break problems, retaining water or rheology complex materials. The development of analytical techniques enabled the understanding the development of these phenomena, however, the difficulty to obtain a reach agreement data with those obtained experimentally, showed the fragility of this type of analysis to the description of complex dynamic systems. But, it was decided by attempt of recreate these phenomena from techniques that use the manipulation of complete government equations. Continuous systems can be analyzed by discrete approximations, leading to realistic values, very close to those obtained experimentally, and current computational capacity, enables to reduce the errors involved significantly, increasing the consistency of these physical methods. This work used the commercial software ANSYSCFX to simulate the phenomena of breaking the barrier, setting the rheology of two materials, the Carbopol 940 representing a material of complex rheology (Herschel-Bulkley) and glycerol (Newtonian), these data were then compared with those obtained experimentally using a model in scale. Fields of velocity, pressure and temporal evolution of the fronts were analyzed. Found very similar values between numerical and experimental simulations, showing the physical consistency of the methods used / Mestre

Orientador: Geraldo de Freitas Maciel / Banca: Edson Del Rio Vieira / Banca: Jefferson B. Libardi Liborio / Resumo: Esta dissertação de mestrado traz à discussão o comportamento reológico de misturas formadas por água+colóides+detritos (areia fina), visando entender e esclarecer os processos físicos e mecânicos, tais como sedimentação e ressuspensão de materiais inertes no seio da massa fluida não-newtoniana (água+colóides), bem como verificar a validade ou adeqüabilidade do modelo reológico de Herschel-Bulkley (modelo previamente investigado e validado para misturas compostas de água+colóides) para misturas viscoplásticas com presença de grãos. A variação das propriedades reológicas das misturas, em função das características físicas dos grãos (diâmetro, massa específica e área superficial), é investigada, e um modelo de estimativa de tensão crítica é apresentado. Ademais foram realizados ensaios preliminares de escoamento de fluidos hiperconcentrados em canais inclinados, na tentativa de calibrar uma lei de atrito. Dentro dessas perspectivas, a dissertação é composta de 6 Capítulos com um denso Estado da Arte que descreve os fenômenos e mecanismos que regem os escoamentos desse tipo de compósito. Com base na literatura estudada e, a partir da análise dos resultados experimentais, pôde-se concluir que, para misturas compostas de água+colóides+detritos, o comportamento reológico das misturas é o mesmo que aquele do fluido intersticial (água+colóides), desde que a homogeneidade da mistura seja garantida (não ocorrência de sedimentação e ressuspensão sucessivas). Neste caso, o modelo reológico de Herschel-Bulkley continua sendo válido para explicar as curvas de escoamento ou de fluxo das misturas viscoplásticas com grãos. Para misturas que apresentem os fenômenos de sedimentação e ressuspensão, o modelo de Bagnold, adaptado a fluidos hiperconcentrados... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: This work retakes the discussion about the rheological behavior of mixtures composed by water+ kaolinitic clay+fine sand in order to investigate the physical and mechanical processes such as sedimentation and suspension of inert materials into the non-Newtonian or interstitial fluid (water+colloids), as well as verify the adaptability of the Herschel-Bulkley rheological model (model previously investigated and validated for composed mixtures of water+ kaolinitic clay) for explain the viscoplastic+coarse materials rheological properties. The variation of the rheological properties of the mixtures in function of the coarse material characteristics (diameter, specific mass and superficial area) was investigated and a model predicting yield stress was proposed. Furthermore, some tests were performed in an inclined canal to determine a friction law for this kind of fluids. Inside of these perspectives, this dissertation is composed of 6 Chapters whit a dense State of the Art describing the phenomena and their mechanisms were pointed up. Based on literature and from the experimental results, one could concluded that the viscoplastic + coarse material mixtures behavior is the same of the interstitial fluid one, since that the homogeneity of the mixture is guaranteed (not occurrence of successive sedimentation and resuspension). In this case, Herschel-Bulkley rheological model is still valid to explain the curves of flow of the viscoplastic + coarse material. For mixtures that present the phenomena of sedimentation and resuspension, Bagnoldþs model, adapted to the hyperconcentrated fluids, describes well the variations of rheological parameters in function of the shear rates applied. Finally, it could be concluded that the experiments of free surface in canals, despite partial, can... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre

The increasing activity of oil and gas extraction in deep water has stimulated several studies to solve problems encountered in drilling wells. During the drilling operation, a fluid (drilling mud) is pumped through the column to the bottom, carrying to the surface the drill cuttings generated, through the annular space formed between the column and the borehole wall. In this type of flow may appear a kind of hydrodynamic instability characterized by the appearance of toroidal vortices. This type of instability (Taylor-Couette) may profoundly alter the pressure drop of the flow, the shear stress at the borehole wall and the ability of carrying the solids. Moreover, during the process of drilling a well it is necessary promotes the well cementing and coating to provide a mechanical support, as well as, to isolate it from different rock formations traversed. For this step to be successful, the drilling mud must be completely removed from the annular space, and this removal may be impaired in wells which have varying eccentricity along the tube. Due to high costs of correction transactions and loss of drilling time, it is crucial to predict the mud flow around the annular. The effects of this variation of the eccentricity have not been much discussed in the literature, and they may have great influence on the displacement of the mud in the annular space. As an initial phase of work, numerical simulations were performed to study the flow and the emergence of Taylor- Couette instabilities in a concentric annular section, in order to compare them with literature data. Numerical simulations were developed in annular periodic sections, concentric and eccentric (E = 0.5) in order to obtain average profiles of axial and tangential velocities using different turbulence models, aiming at a comparison of simulated results with experimental data from literature. Later, it was made an experimental study and simulation to assess the effect of internal axis rotation on the pressure drop in the flow of non-Newtonian fluids (aqueous solutions of xanthan gum and carboxymethyl cellulose with 0.2% by weight) in a section annular concentric and the other with fixed eccentricity (E = 0.75). Finally, it was elaborated an experimental design (3k) with four variables, such as, xanthan gum concentration (0.05%, 0.10% and 0.15% by weight), eccentricity (0.0, 0.23 and 0.46), fluid flow rate (5, 7 and 9 m3/h) and internal rotation axis (0, 100 and 200 rpm). Following this planning, experimental data of pressure drop were collected, as well as, numerical simulations (CFD) in periodic annular sections to get results of axial velocity, in order to evaluate the effect of variable eccentric rotation on the fluid dynamics of non-Newtonian flows in annular spaces. / A crescente atividade de extração de petróleo e gás em águas cada vez mais profundas tem impulsionando diversos estudos para solucionar problemas encontrados na perfuração de poços. Durante a operação de perfuração, um fluido (lama de perfuração) é bombeado através da coluna até o fundo do poço, retornando à superfície carreando os cascalhos gerados pela broca, passando pelo espaço anular formado entre a coluna e a parede do poço. Neste tipo de escoamento pode ocorrer um tipo de instabilidade hidrodinâmica caracterizada pelo aparecimento de vórtices toroidais. Este tipo de instabilidade (Taylor-Couette), pode alterar profundamente a perda de carga do escoamento, a tensão cisalhante na parede do poço e a capacidade de carreamento de cascalho. Além disto, durante o processo de perfuração de um poço é necessário promover o revestimento e a cimentação do poço para fornecer a sua sustentação mecânica, bem como, para isolá-lo das diferentes formações rochosas atravessadas. Para esta etapa ser bem sucedida, a lama de perfuração deve ser completamente removida do anular, sendo que, esta remoção pode ser prejudicada em poços que apresentem excentricidade variando ao longo do tubo. Devido aos altos custos das operações de correção e a perda de tempo de perfuração, é fundamental prever este deslocamento da lama ao redor do anular. Os efeitos desta variação da excentricidade ainda não foram muito abordados na literatura e podem apresentar grande influência no deslocamento da lama no espaço anular. Como etapa inicial do trabalho, foram realizadas simulações numéricas para estudar o escoamento com surgimento de instabilidades do tipo Taylor-Couette em uma seção anular concêntrica, com intuito de compará-las com trabalhos da literatura. Depois foram desenvolvidas simulações numéricas em seções anulares periódicas, concêntrica e excêntrica (E = 0,5), a fim de obter perfis médios de velocidades axial e tangencial usando diferentes modelos de turbulência, visando uma comparação dos resultados simulados com os dados experimentais da literatura. Posteriormente, foi feito um estudo experimental e de simulação para avaliar o efeito da rotação do eixo interno sobre a queda de pressão no escoamento de fluidos não-Newtonianos (soluções aquosas de Goma Xantana e de Carboximetilcelulose a 0,2% em peso) numa seção anular concêntrica e outra com excentricidade fixa (E = 0,75). Finalmente, elaborou-se um planejamento fatorial de experimentos do tipo 3k com quatro variáveis, tais como, concentração de Goma Xantana (0,05%, 0,10% e 0,15%), excentricidade (0,0; 0,23 e 0,46), vazão volumétrica (5, 7 e 9 m3/h) e rotação do eixo interno (0, 100 e 200 rpm). Seguindo este planejamento foram levantados dados experimentais de queda de pressão, bem como, simulações numéricas (CFD) em seções periódicas para obtenção de resultados de velocidade axial, com intuito de avaliar efeito do movimento de rotação excêntrica variável sobre a dinâmica do escoamento de fluidos não-Newtonianos em espaços anulares. / Doutor em Engenharia Química

Fluidos Não-newtonianos estão presentes em grande quantidade na natureza e em muitas aplicações industriais. Tais fluidos apresentam uma variedade de comportamentos específicos. Dentre eles podemos citar: elasticidade, plasticidade, viscosidade variando com a taxa de deformação, tixotropia. Esta tese de doutorado apresenta um recente modelo para Fluidos Estruturados Tixotrópicos (de Souza Mendes, 2009), no qual baseasse nas tradicionais equações de balanço de momentum e massa, em uma equação constitutiva de Maxwell-b modificada e uma equação de evolução para o nível de estrutura do material. Na equação constitutiva de Maxwell-b modificada, tempo de relaxação e viscosidade estrutural são funções da estrutura do material. A equação evolutiva para o parâmetro de estruturação prevê efeitos de tixotropia, dependentes do tempo de equilíbrio do material. As equações que constituem o modelo mecânico para Fluidos Estruturados Tixotrópicos são aproximadas numericamente através do Método de Elementos Finitos de Galerkin Mínimos-quadrados (GLS). Tal método adicionou termos dependentes de malha ao método clássico de Galerkin, de forma a aumentar a estabilidade da formulação original, proporcionando compatibilizar os sub-espaços de velocidade e pressão. São investigados escoamentos creeping flow de Fluidos Estruturados Tixotrópicos em dois problemas clássicos de engenharia: em torno de um cilindro confinado entre duas placas e em uma expansão planar abrupta. Parâmetros relevantes ao modelo são variados em faixas pertinentes ao problema físico simulado e os resultados demonstraram uma boa capacidade de previsão. / Non-Newtonian fluids are present in large quantities in nature and in many industrial applications. Such fluids exhibit a variety of specific behaviors. Among them we can mention: elasticity, plasticity, viscosity varying with the strain rate, thixotropy, etc. This thesis presents a new model for thixotropic Structured Fluids (de Souza Mendes, 2009), in which were a basis in traditional balance equations of mass and momentum, the constitutive equation of Maxwell-type and an evolution equation for the level structure of the material. In the modified constitutive equation of Maxwell-b, relaxation time and structural viscosity are functions of material structure. The structure parameter evolutive equation provides effects of thixotropy, dependent on the equilibration time of the material. The equations which constitute the mechanical model for Structured Thixotropic fluids are approximated numerically using the Galerkin Least-squares Finite Element Method (GLS). Such a method added mesh dependent terms to the classical method of Galerkin in order to increase the stability of the original formulation, providing compatibility between sub-spaces of velocity and pressure. Are investigated Structured Thixotropic Fluids creeping flow in two classical problems in engineering: around a cylinder confined between two plates and in a planar abrupt expansion. Relevant parameters to the model are varied in pertinent ranges to physical problem simulated and the results demonstrated a good predictive capability.

Fluidos Não-newtonianos estão presentes em grande quantidade na natureza e em muitas aplicações industriais. Tais fluidos apresentam uma variedade de comportamentos específicos. Dentre eles podemos citar: elasticidade, plasticidade, viscosidade variando com a taxa de deformação, tixotropia. Esta tese de doutorado apresenta um recente modelo para Fluidos Estruturados Tixotrópicos (de Souza Mendes, 2009), no qual baseasse nas tradicionais equações de balanço de momentum e massa, em uma equação constitutiva de Maxwell-b modificada e uma equação de evolução para o nível de estrutura do material. Na equação constitutiva de Maxwell-b modificada, tempo de relaxação e viscosidade estrutural são funções da estrutura do material. A equação evolutiva para o parâmetro de estruturação prevê efeitos de tixotropia, dependentes do tempo de equilíbrio do material. As equações que constituem o modelo mecânico para Fluidos Estruturados Tixotrópicos são aproximadas numericamente através do Método de Elementos Finitos de Galerkin Mínimos-quadrados (GLS). Tal método adicionou termos dependentes de malha ao método clássico de Galerkin, de forma a aumentar a estabilidade da formulação original, proporcionando compatibilizar os sub-espaços de velocidade e pressão. São investigados escoamentos creeping flow de Fluidos Estruturados Tixotrópicos em dois problemas clássicos de engenharia: em torno de um cilindro confinado entre duas placas e em uma expansão planar abrupta. Parâmetros relevantes ao modelo são variados em faixas pertinentes ao problema físico simulado e os resultados demonstraram uma boa capacidade de previsão. / Non-Newtonian fluids are present in large quantities in nature and in many industrial applications. Such fluids exhibit a variety of specific behaviors. Among them we can mention: elasticity, plasticity, viscosity varying with the strain rate, thixotropy, etc. This thesis presents a new model for thixotropic Structured Fluids (de Souza Mendes, 2009), in which were a basis in traditional balance equations of mass and momentum, the constitutive equation of Maxwell-type and an evolution equation for the level structure of the material. In the modified constitutive equation of Maxwell-b, relaxation time and structural viscosity are functions of material structure. The structure parameter evolutive equation provides effects of thixotropy, dependent on the equilibration time of the material. The equations which constitute the mechanical model for Structured Thixotropic fluids are approximated numerically using the Galerkin Least-squares Finite Element Method (GLS). Such a method added mesh dependent terms to the classical method of Galerkin in order to increase the stability of the original formulation, providing compatibility between sub-spaces of velocity and pressure. Are investigated Structured Thixotropic Fluids creeping flow in two classical problems in engineering: around a cylinder confined between two plates and in a planar abrupt expansion. Relevant parameters to the model are varied in pertinent ranges to physical problem simulated and the results demonstrated a good predictive capability.

Conselho Nacional de Desenvolvimento CientÃfico e TecnolÃgico / Neste trabalho, foram estudados vÃrios tipos de escoamentos laminares de fluidos incompressÃveis Newtonianos e nÃo-Newtonianos. Isto foi feito atravÃs do estudo da interaÃÃo destes escoamentos com geometrias complexas atravÃs de modelagem computacional e da soluÃÃo numÃrica das equaÃÃes de conservaÃÃo do momento e continuidade de massa. Numa primeira etapa, a modelagem computacional de uma rede de poros foi usada para a gerar padrÃes de agregados granulares resultando de mecanismos de erosÃo-deposiÃÃo de grÃos leves. A geometria da rede de poros foi alterada dinamicamente de acordo com a transferÃncia de momento do escoamento para as partÃculas localizadas em cada vÃrtice da rede de poros. Os resultados mostraram que, para esse processo irreversÃvel, o modelo foi capaz de reproduzir padrÃes tÃpicos de processos de erosÃo bem-conhecidos. Numa segunda etapa, um separador de partÃculas semelhante à estrutura pulmonar foi proposto com base nas propriedades de escoamento em uma estrutura ramificada e nas propriedades de transporte inercial das partÃculas, quantificadas atravÃs do nÃmero de Stokes. Os resultados indicaram que a variaÃÃo dos parÃmetros de construÃÃo da estrutura ramificada leva a um regime eficiente do processo de separaÃÃo em um amplo espectro de valores do nÃmero de Stokes. Por Ãltimo, o escoamento de vÃrios fluidos nÃo-Newtonianos atravÃs de meios porosos desordenados em trÃs-dimensÃes foi estudado. Os resultados mostraram, para fluidos do tipo lei-de-potÃncia, que o escoamento pode ser descrito como uma curva universal se o nÃmero de Reynolds e a permeabilidade hidrÃulica forem redefinidos de maneira apropriada. Fluidos de Bingham tambÃm foram estudados atravÃs do modelo de Herschel-Bulkley. Neste caso, as simulaÃÃes revelaram que as interaÃÃes entre a geometria complexa do espaÃo poroso, as propriedades reolÃgicas do fluido e os efeitos inerciais do escoamento sÃo responsÃveis por uma melhora substancial da permeabilidade hidrÃulica do sistema em valores intermediÃrios do nÃmero de Reynolds. / In this work many types of incompressible laminar Newtonian and Non-Newtonian flows are studied. The interplay of these flows with complex geometries was investigated using computational modeling and numerical solution of the conservation of momentum and mass continuity equations. As a first step, the computational modeling of a network of pores was adopted to reveal the formation patterns caused by the mechanism of erosion-deposition of light grains. The geometry of the pore network was changed dynamically according to the flow momentum transfer for particles located on each vertex of the pore network. The results showed that, for this irreversible processes, the model is capable of reproducing patterns of formation of well-known erosion processes. In a second step, a particle separator inspired on the lung structure was proposed based on the flow properties in a branched structure and transport of inertial particles, quantified in terms of the Stokes number. The results indicated that the variation of construction parameters of the branched structure leads to an efficient design of the separation process in a wide range of values of the Stokes number. Finally, the flow of non-Newtonian fluids through three-dimensional disordered porous media has been studied. The results showed, for power-law fluids that the flow can de described as a universal curve if the Reynolds number and the hydraulic permeability are redefined properly. The flow of Bingham fluids was also studied using the model of Herschel-Bulkley. In this case, the simulations showed that the interaction between the complex geometry of the pore space, the rheological properties of the fluid and the inertial effects of the flow is responsible for a substantial improvement of the hydraulic permeability of the system at intermediate values of the Reynolds number.

Orientador : Geraldo de Freitas Maciel. / Banca: Podalyro Amaral de Souza / Banca: Adriano Souza / Resumo: Em função da concentração de material sólido, misturas resultantes de argila e água conferem, via de regra, propriedades não-Newtonianas. Essa concentração passa a variar com a granulometria e a composição do mineral do sedimento, bem como com a qualidade da água. Algumas tentativas foram feitas na busca de melhor explicar a reologia e a dinâmica global dessas misturas nessa última década, notadamente no contexto de lavas torrenciais e misturas hiperconcentradas. Essa dissertação de mestrado tem por objetivo desenvolver uma caracterização reológica de misturas sólido-líquido (água+argila caulinítica e água+areia fina+argila caulinítica) com diferentes concentrações em volume (Cv) para as quais são determinadas, a partir de ensaios de reometria de precisão, as propriedades tais como a viscosidade aparente, tensão crítica de cisalhamento e curva de tensão de cisalhamento x taxa de deformação. Verificou-se, em condições controladas, a influência da temperatura, pH e concentração em volume (Cv) sobre a curva reológica dessas misturas, além de eventuais fenômenos de tixotropia e modo de preparo. O modelo reológico melhor ajustado para as argilas foi o de Herschel-Bulkley ( ( )n τ =τ c + k γ& ), onde: τ é a tensão de cisalhamento; τc é a tensão crítica (ou rigidez inicial); k é um termo de consistência (viscosidade aparente); n é o índice de escoamento; e dy γ& = du é a taxa de deformação. Obtém-se também, a partir de uma análise quantitativa global, leis de evolução dos diversos parâmetros reológicos em função da concentração em volume. Após a etapa de caracterização física e reológica das misturas, realizaram-se, sob condições controladas, ensaios dinâmicos através de escoamentos de lamas em canal inclinado. Nesses ensaios foram medidos os parâmetros lâmina normal, vazões... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo). / According to solid concentration material, clay-water mixture can exhibit non- Newtonian properties. Mixture concentrations vary with the grain size distribution and the composition of the mineral sediment, as well as, with the water quality. In the last decade some attempts were realized to explain the rheology and the global dynamics of those mixtures, mainly in the context of mudflows and high mud concentrated suspensions. The purpose of this work is develop a rheological characterization of solid-liquid mixture (water + clay kaolinitic and water + fine sand + clay kaolinitic) with different solid volume concentrations (Cv) for which are determined, using a R/S Rheometer (Brookfield), rheological properties such as the apparent viscosity, yield stress and shear stress x shear rate curve. It was verified, under controlled conditions, the influence of the temperature, pH and solid volume concentration (Cv) on the rheological curve those mixtures, besides eventual tixotropy phenomenon and way of prepare. The rheological model adjusted for the clays was Herschel-Bulkley ( ( )n τ =τ c + k γ& ), where: τ is shear stress; τc is yield stress; k is a consistency term (apparent viscosity); n is flow index; and dy γ& = du is shear rate. It is also obtained, from a global quantitative analysis, evolution laws of the several rheologics parameters in function of the solid volume concentration. After the stage of rheological and physical characterization of mixing samples, dynamics experiments were made, under controlled conditions, than the flow of mud was observed in the open channel. These analyses were made in order to examine the behavior of parameters such as: normal depth, discharge and velocities. In fact, the experience showed that is possible to deduce wall friction laws from the rheological proprieties based on high mud concentrated suspensions and the dynamic of these muds. / Mestre

Submitted by Maicon Juliano Schmidt (maicons) on 2015-07-13T19:17:40Z No. of bitstreams: 1 Eduardo Schnurr Siqueira.pdf: 1543388 bytes, checksum: 203a2765367b043538126c29889d7be5 (MD5) / Made available in DSpace on 2015-07-13T19:17:40Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Eduardo Schnurr Siqueira.pdf: 1543388 bytes, checksum: 203a2765367b043538126c29889d7be5 (MD5) Previous issue date: 2013-01-31 / Nenhuma / Fluidos não-Newtonianos apresentam relação não linear entre a tensão de cisalhamento e a taxa de cisalhamento, ou seja, sua viscosidade não é constante. Eles estão presentes na natureza (sangue, lamas, areia movediça), assim como em muitos produtos industriais classificam-se nesta categoria, tais como produtos alimentícios (iogurtes, queijos cremosos, doces de frutas, chocolate ), tintas, borrachas, polímeros fundidos, soluções poliméricas, adesivos e gomas. Nos casos em que a viscosidade diminui com aumento da taxa de cisalhamento, os fluidos são classificados como pseudoplásticos; os que apresentam comportamento inverso são classificados como dilatantes. O modelo Power-Law é utilizado em engenharia para modelar ambos os comportamentos. Computational Fluid Dynamics - CFD (Dinâmica dos Fluidos Computacional) é uma ferramenta utilizada na simulação numérica de escoamentos de fluidos Newtonianos e não-Newtonianos. Inúmeros códigos comerciais e livres são utilizados atualmente, dentre eles o código livre e aberto Multiphase Flow with Interphase Exchanges (MFIX), o qual foi desenvolvido visando a simulação numérica de escoamentos multifásicos reativos do tipo sólido-gás em leitos fluidizados. O objetivo do presente trabalho é implementar no MFIX o modelo Power-Law, validar a modificação e realizar um estudo de caso utilizando o modelo. Com a implementação de um modelo não-Newtoniano ao código, pretende-se abrir caminho para a simulação de escoamentos multifásicos do tipo sólido-líquido não-Newtoniano, bem como aumentar a potencialidade do código, a fim de se estudar casos monofásicos de escoamentos de fluidos não-Newtonianos sujeitos à transferência de calor. O modelo implementado foi validado através da comparação com resultados da literatura para o escoamento em uma cavidade. Posteriormente, foram realizadas simulações do escoamento não isotérmico e isotérmico em torno de um prisma de seção quadrada imerso em um canal. Foram variados os parâmetros número de Prandtl, índice do modelo Power-Law e razão de bloqueio. Verificou-se que o número de Nusselt tem influência direta e é fortemente influenciado pela razão de bloqueio e inversamente, com pouca intensidade, pelo índice Power-Law. O número de Prandtl também influenciou diretamente no número de Nusselt e demonstrou que, quanto maior o seu valor, mais acentuada fica a variação do número de Nusselt em função da razão de bloqueio. / Non-Newtonian fluids exhibit nonlinear relationship between the shear stress and the shear rate, that is, its viscosity is not constant. They are present in nature (blood, sludge) as well as many industrial products are classified in this category, such as food products (yoghurt, soft cheeses, jams, chocolate), paints, rubber, polymer melts, polymer solutions, adhesives and gums. In cases where viscosity decreases with increasing shear rate, the fluids are classified as shear-thinning, while the opposite behavior is classified as shear-thickening. The Power-Law model is used in engineering to model both behaviors. Computational Fluid Dynamics - CFD is a tool used in the numerical simulation of Newtonian and non-Newtonian fluid flow. Numerous free and commercial codes are used today, including the free and open source Multiphase Flow with Interphase Exchanges (MFIX), which was developed to the numerical simulation of multiphase (fluid-solid) and reactive flows. The goal of this work is to implement the Power-Law model in MFIX, validate the implementation and conduct a case study using the model implemented. With the implementation of a non-Newtonian model to the code, a new possibility for the simulation of multiphase flows of solid-non-Newtonian liquids is opened, as well as there is an increase in the capability of the code regarding the study of single-phase fluid flows of Non-Newtonian fluids subject to heat transfer. The model was implemented and validated by comparison with literature results for the flow in a lid driven cavity. Subsequently, simulations were carried out concerning isothermal and non-isothermal flows around a square cylinder immersed in a channel. Parameters of analyses consisted of Prandtl number, Power-Law index and blockage ratio, for a fixed Reynolds number. It was found that the Nusselt number is strongly influenced by the blockage ratio and decreases with the increase of the Power-Law index. The Prandtl number also directly influences the process. With its increase, the dependence of the Nusselt number with the blockage ratio is more pronounced.

Esta dissertação investiga numericamente a influência dos efeitos viscosos e elásticos em escoamentos de materiais viscoplásticos no interior de uma cavidade dirigida. O modelo mecânico empregado é constituído pelas equações de conservação de massa e pelo princípio da quantidade de movimento linear, para fluidos incompressíveis, acoplado à equação constitutiva. Esta equação modifica o modelo viscoelástico de Oldroyd-B de modo a acomodar que os tempos de relaxação e retardo do material, bem como sua viscosidade viscoplástica, dependam das mudanças de sua microestrutura. A aproximação numérica do modelo emprega o método multi-campos de Galerkin mínimos-quadrados em termos do tensor de tensão extra, do vetor velocidade e do campo de pressão. Os resultados objetivam a determinção do tamanho e localização das regiões aparentemente não-escoadas do material, bem como sua deformação elástica, intensidade de tensão, e a sua vorticidade no interior da cavidade. Os resultados claramente indicam que o padrão do escoamento é fortemente influenciado pela variação dos efeitos elásticos (variação do tempo de relaxação adimensional, θ0 * ), viscosos (variação do índice de power-law, n) e cinemáticos (variação da velocidade adimensional, U* , do escoamento) no interior da cavidade. / This dissertation investigated numerically the influence of viscous and elastic effects on flows of viscoplastic materials within a lid-driven cavity. The mechanical model used is made up of mass and momentum balance equations, coupled with the constitutive equation. This equation modifies the viscoelastic Oldroyd-B model to accommodate both relaxation and retardation times, and viscosity function, dependent on the microstructure changes. Numerical approximations of the model make use a three-field Galerkin least squares method in terms of the extra stress tensor, velocity vector and pressure field. Computations focus on the determination of the size and position of apparently unyielded regions as well as the elastic deformation, stress intensity, and the vorticity within of the cavity. Results clearly indicate that the flow pattern is strongly influenced by the elastic (variation of the dimensionless relaxation time, θ0 * ), viscous (variation of the power-law index, n) and kinematic (variation of the dimensionless flow velocity, U* ) effects within the cavity.