Orientador : Antonio Carlos Bannwart / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-02T07:47:51Z (GMT). No. of bitstreams: 1 HernandezRodriguez_OscarMauricio_D.pdf: 20515204 bytes, checksum: e8248cf9dd43eeebd494c7dfcbf81e6d (MD5) Previous issue date: 2002 / Resumo: Neste trabalho foi estudado o padrão de escoamento bifásico líquido-líquido anular vertical ascendente, visando sua aplicação para a elevação de petróleo pesado. Um dos principais problemas referentes à viabilidade econômica da movimentação deste tipo de óleo são os enormes gradientes de pressão por fricção envolvidos. A técnica estudada consiste no transporte hidráulico de fluidos altamente viscosos através da injeção de pequenas quantidades de água, de tal forma a criar uma adequada lubrificação do óleo e estabelecer um padrão de fluxo anular, conhecido por core-flow ou core-annular flow. O trabalho investigou uma série de tópicos considerados relevantes no estudo do escoamento óleo pesado- água em tubulações: padrões de fluxo, estabilidade hidrodinâmica do padrão anular, forma da interface, fração volumétrica e perda de pressão bifásica. Descreve-se as experiências realizadas em laboratório onde foram visualizados os padrões e geradas cartas de fluxo. São apresentados novos dados de fração volumétrica e propriedades das ondas interfaciais. Apresenta-se também novas medições de gradiente de pressão por fricção para o escoamento anular vertical ascendente. Foram desenvolvidas modelagens matemáticas e interpretações fisicas à luz dos resultados experimentais, que permitiram determinar uma solução para a interface óleo-água no padrão anular e propor novos critérios de transição do padrão anular para o padrão intermitente e novas correlações para a previsão da fração volumétrica do óleo e da perda de pressão bifásica. As comparações realizadas entre os dados experimentais e os resultados gerados mostrou-se excelente / Abstract: This investigation describes the upward vertical annular two-phase flow for application on heavy oil production. One of the main problems concerning the exploitation of this kind of crude is the huge friction pressure gradient involved. The technology that has been studied for the very viscous fluid transportation consists in the continuous injection of little amounts of water in such a way to create a lubrication layer and establish the flow pattern known as core-annular flow or core-flow. The aim of the research was to study the main issues related to heavy oil-water pipe flow, e.g.: flow pattern, hydrodynamic stability, interface shape, holdup and pressure drop. Laboratory experiments have been carried out where the flow patterns were visualized and flow maps generated. Holdup and interfacial properties were also obtained. Besides, pressure drop gradients were measured for upward vertical core-flow. Mathematical modeling has also been developed allowing the physical interpretation of experimental data. A solution has been obtained for the oil-water interface. New transition criteria from core-flow to intermittent flow are suggested and new correlations to predict the holdup and the two-phase pressure drop were developed. Comparisons between experimental data and the theoretical results were made with excellent agreement / Doutorado / Termica e Fluidos / Doutor em Engenharia Mecânica

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Este trabalho objetiva a construção de estruturas robustas e computacionalmente eficientes para a solução do problema de deposição de parafinas do ponto de vista do equilíbrio sólido-líquido. São avaliados diversos modelos termodinâmicos para a fase líquida: equação de estado de Peng-Robinson e os modelos de coeficiente de atividade de Solução Ideal, Wilson, UNIQUAC e UNIFAC. A fase sólida é caracterizada pelo modelo Multisólido. A previsão de formação de fase sólida é inicialmente prevista por um teste de estabilidade termodinâmica. Posteriormente, o sistema de equações não lineares que caracteriza o equilíbrio termodinâmico e as equações de balanço material é resolvido por três abordagens numéricas: método de Newton multivariável, método de Broyden e método Newton-Armijo. Diversos experimentos numéricos foram conduzidos de modo a avaliar os tempos de computação e a robustez frente a diversos cenários de estimativas iniciais dos métodos numéricos para os diferentes modelos e diferentes misturas. Os resultados indicam para a possibilidade de construção de arcabouços computacionais eficientes e robustos, que podem ser empregados acoplados a simuladores de escoamento em dutos, por exemplo. / The objective of this work is to develop robust and computationally efficient frameworks devoted to the solution of the problem of paraffin deposition, from the point of view of the solid-liquid equilibrium. In this scenario, several thermodynamic models will be evaluated to the description of the behavior of the liquid phase: the Peng-Robinson cubic equation of state and the activity coefficient models of Ideal Solution, Wilson, UNIQUAC and UNIFAC. The solid phase is characterized by the Multisolid model. The formation of the solid phase is initially predicted by a thermodynamic stability test. Subsequently, the nonlinear algebraic system that describes the thermodynamic equilibrium and the material balance equations is solved by three numerical approaches: the multivariable Newton method, the Broyden method and the Newton-Armijo method. Several numerical experiments were conducted in order to evaluate computation times and robustness facing several scenarios of initial estimates of the numerical methods for various models and mixtures. The results indicate the possibility of construction of efficient and robust computational frameworks which can be used coupled with fluid flow simulators, for instance.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Nesta tese é realizada a modelagem do comportamento hidráulico dos principais rios que compõem a bacia hidrográfica do Rio Bengalas, localizada no município de Nova Friburgo-RJ, a qual abrange a área mais urbanizada da referida cidade. Para a realização das simulações foi utilizado o Sistema de Modelagem de Águas MOHID, ferramenta MOHID Land. Já para a calibração do modelo foram adotados alguns métodos de otimização, mais precisamente, os algoritmos de Luus- Jaakola (LJ) e Colisão de Partículas (PCA), acoplados ao referido sistema, com o intuito de determinar os principais parâmetros necessários à modelagem de corpos hídricos, bem como suas bacias hidrográficas. Foram utilizados dados topográficos do IBGE disponibilizados pela prefeitura após a elaboração do Plano de Águas Pluviais da região de interesse. Com o modelo devidamente calibrado por meio de dados experimentais, foi realizada a validação do mesmo através da simulação de inundações nesta região. Apesar de técnicas de otimização acopladas à plataforma MOHID terem sido utilizadas pela primeira vez em um rio de montanha, os resultados apresentaram-se importantes e qualitativamente satisfatórios do ponto de vista de auxílio à tomada de decisões, tendo como base a prevenção de danos causados pelas elevações da lâmina dágua que ocorrem frequentemente em Nova Friburgo, como por exemplo, a recente tragédia de janeiro de 2011 ocorrida na Região Serrana do Estado do Rio de Janeiro. / In this thesis is held the modeling of the hydraulic behavior of the main rivers that form the Bengalas River watershed, located in the municipality of Nova Friburgo, Rio de Janeiro, which covers the most urbanized area of that city. To perform the simulations was used MOHID Waters Modeling System, Land MOHID tool. As for the calibration of the model were adopted some optimization methods, more precisely, the Luus-Jaakola (LJ) and Particle Collision (PCA) algorithms coupled to said system, in order to determine the main parameters needed for modeling bodies water and their watersheds. We used topographic data from the IBGE provided by the city after the preparation of the Stormwater Plan for the region of interest. With the model calibrated through experimental data, the same was validated by simulating flooding in this region. Although optimization techniques coupled to the platform MOHID were first used in a mountain river, the results presented are important and qualitatively satisfactory from the point of view of aid to decision making, based on the prevention of damage caused by increases in water level that often occur in Nova Friburgo, such as the recent tragedy that occurred in January 2011 in the mountainous region of the Rio de Janeiro State.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Este trabalho objetiva a construção de estruturas robustas e computacionalmente eficientes para a solução do problema de deposição de parafinas do ponto de vista do equilíbrio sólido-líquido. São avaliados diversos modelos termodinâmicos para a fase líquida: equação de estado de Peng-Robinson e os modelos de coeficiente de atividade de Solução Ideal, Wilson, UNIQUAC e UNIFAC. A fase sólida é caracterizada pelo modelo Multisólido. A previsão de formação de fase sólida é inicialmente prevista por um teste de estabilidade termodinâmica. Posteriormente, o sistema de equações não lineares que caracteriza o equilíbrio termodinâmico e as equações de balanço material é resolvido por três abordagens numéricas: método de Newton multivariável, método de Broyden e método Newton-Armijo. Diversos experimentos numéricos foram conduzidos de modo a avaliar os tempos de computação e a robustez frente a diversos cenários de estimativas iniciais dos métodos numéricos para os diferentes modelos e diferentes misturas. Os resultados indicam para a possibilidade de construção de arcabouços computacionais eficientes e robustos, que podem ser empregados acoplados a simuladores de escoamento em dutos, por exemplo. / The objective of this work is to develop robust and computationally efficient frameworks devoted to the solution of the problem of paraffin deposition, from the point of view of the solid-liquid equilibrium. In this scenario, several thermodynamic models will be evaluated to the description of the behavior of the liquid phase: the Peng-Robinson cubic equation of state and the activity coefficient models of Ideal Solution, Wilson, UNIQUAC and UNIFAC. The solid phase is characterized by the Multisolid model. The formation of the solid phase is initially predicted by a thermodynamic stability test. Subsequently, the nonlinear algebraic system that describes the thermodynamic equilibrium and the material balance equations is solved by three numerical approaches: the multivariable Newton method, the Broyden method and the Newton-Armijo method. Several numerical experiments were conducted in order to evaluate computation times and robustness facing several scenarios of initial estimates of the numerical methods for various models and mixtures. The results indicate the possibility of construction of efficient and robust computational frameworks which can be used coupled with fluid flow simulators, for instance.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Nesta tese é realizada a modelagem do comportamento hidráulico dos principais rios que compõem a bacia hidrográfica do Rio Bengalas, localizada no município de Nova Friburgo-RJ, a qual abrange a área mais urbanizada da referida cidade. Para a realização das simulações foi utilizado o Sistema de Modelagem de Águas MOHID, ferramenta MOHID Land. Já para a calibração do modelo foram adotados alguns métodos de otimização, mais precisamente, os algoritmos de Luus- Jaakola (LJ) e Colisão de Partículas (PCA), acoplados ao referido sistema, com o intuito de determinar os principais parâmetros necessários à modelagem de corpos hídricos, bem como suas bacias hidrográficas. Foram utilizados dados topográficos do IBGE disponibilizados pela prefeitura após a elaboração do Plano de Águas Pluviais da região de interesse. Com o modelo devidamente calibrado por meio de dados experimentais, foi realizada a validação do mesmo através da simulação de inundações nesta região. Apesar de técnicas de otimização acopladas à plataforma MOHID terem sido utilizadas pela primeira vez em um rio de montanha, os resultados apresentaram-se importantes e qualitativamente satisfatórios do ponto de vista de auxílio à tomada de decisões, tendo como base a prevenção de danos causados pelas elevações da lâmina dágua que ocorrem frequentemente em Nova Friburgo, como por exemplo, a recente tragédia de janeiro de 2011 ocorrida na Região Serrana do Estado do Rio de Janeiro. / In this thesis is held the modeling of the hydraulic behavior of the main rivers that form the Bengalas River watershed, located in the municipality of Nova Friburgo, Rio de Janeiro, which covers the most urbanized area of that city. To perform the simulations was used MOHID Waters Modeling System, Land MOHID tool. As for the calibration of the model were adopted some optimization methods, more precisely, the Luus-Jaakola (LJ) and Particle Collision (PCA) algorithms coupled to said system, in order to determine the main parameters needed for modeling bodies water and their watersheds. We used topographic data from the IBGE provided by the city after the preparation of the Stormwater Plan for the region of interest. With the model calibrated through experimental data, the same was validated by simulating flooding in this region. Although optimization techniques coupled to the platform MOHID were first used in a mountain river, the results presented are important and qualitatively satisfactory from the point of view of aid to decision making, based on the prevention of damage caused by increases in water level that often occur in Nova Friburgo, such as the recent tragedy that occurred in January 2011 in the mountainous region of the Rio de Janeiro State.