Submitted by Daniella Sodre (daniella.sodre@ufpe.br) on 2015-04-08T12:30:41Z No. of bitstreams: 2 DISSERTAÇÃO Francisco Melo da Rocha.pdf: 12498941 bytes, checksum: 5e6a701cfa71e166499f525dd85c775d (MD5) license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) / Made available in DSpace on 2015-04-08T12:30:42Z (GMT). No. of bitstreams: 2 DISSERTAÇÃO Francisco Melo da Rocha.pdf: 12498941 bytes, checksum: 5e6a701cfa71e166499f525dd85c775d (MD5) license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) Previous issue date: 2014-01-31 / CAPES / A instabilidade de Saffman-Taylor acontece quando um fluido desloca outro de maior viscosidade entre as placas de uma célula de Hele-Shaw. A evolução temporal da interface entre os fluidos é marcada por sucessivas bifurcações, resultando em uma morfologia bastante ramificada. Outro tipo de instabilidade é observado quando, ao invés de injetarmos fluido continuamente, permitimos que a célula rotacione com velocidade angular constante em torno de um eixo que passa pelo seu centro. Nesta versão girante o fator crucial na desestabilização da interface não é mais o contraste de viscosidade, mas sim a diferença de densidade entre os fluidos. A desestabilização ocorre de tal forma que não mais bifurcações são observadas, mas sim uma competição no crescimento das perturbações do fluido menos denso ao penetrar o mais denso. Neste trabalho analisamos uma variante destas instabilidades onde consideramos uma tensão superficial entre os fluidos que depende da curvatura da interface que os separa. Através de uma teoria perturbativa mostramos que o acoplamento entre a tensão superficial variável e efeitos tridimensionais relacionados ao ângulo de contato, podem levar à formação de padrões diferentes dos tradicionamente vistos. Para o problema com injeção, mostramos como esta nova abordagem pode estabilizar (desestabilizar) situações convencionalmente instáveis (estáveis), bem como o fenômeno da bifurcação dos dedos. Já no caso da célula girante, focamos na capacidade do modelo em controlar perturbações lineares e também a competição existente.

[pt] Estudou-se neste trabalho o deslocamento de fluidos em meios porosos utilizando células de Hele-Shaw. Especificamente, investigou-se experimentalmente o deslocamento de um fluido não newtoniano por um newtoniano em uma célula retangular de Hele-Shaw. A instabilidade de Saffman-Taylor ou viscous fingering é um fenômeno observado quando um fluido de menor viscosidade desloca um de maior viscosidade, e a célula de Hele-Shaw é uma ferramenta conveniente para a sua observação. Esse fenômeno é muito importante em diversas aplicações, como por exemplo: recuperação secundária e terciária de petróleo, invasão de fluidos de perfuração em meios porosos, fraturamento hidráulico, processamento de polímeros, hidrologia e filtração. É vasta a literatura relativa ao estudo de fluidos newtonianos e não newtonianos deslocados por ar em células de Hele-Shaw. Entretanto, existem poucos trabalhos envolvendo deslocamentos de líquidos com viscosidades comparáveis, ou seja, razão de viscosidade diferente de zero. Apresentou-se o detalhamento do projeto de construção de uma célula de Hele-Shaw aplicável ao deslocamento de um líquido por outro líquido. A evolução da forma da interface foi analisada, através de uma câmera fotográfica, em função dos parâmetros geométricos, dinâmicos e reológicos. A partir da vetorização da forma da interface, determinou-se a eficiência do deslocamento. Sendo assim, foi definido o espectro de situações em que há formação de fingers e plugs relativos ao deslocamento de goma xantana por um óleo mineral. Não há na literatura uma convenção universal para apresentação dos resultados, logo uma contribuição original refere-se à adimensionalização proposta onde os principais parâmetros governantes são a velocidade adimensional, o número de capilaridade reológico e o índice de comportamento da goma xantana. Observou-se que para um valor constante do índice de comportamento e para um valor do número de capilaridade reológico da ordem de 10-1, a eficiência de deslocamento aumenta com a velocidade adimensional, porque a razão de viscosidade diminui. / [en] This work studied the displacement of fluids in porous media using a Hele-Shaw cell. Specifically, was investigated experimentally the displacement of a non-Newtonian fluid by a Newtonian in a rectangular Hele-Shaw cell. The Saffman-Taylor or viscous fingering instability occurs when one fluid pushes a more viscous one, and a Hele-Shaw is a convenient tool to the phenomenon observation. Applications include displacement of heavy crude oil in reservoirs, drilling fluid invasion through porous media, fracture conductivity, polymer processing, hydrology and filtration. The Saffman-Taylor instability has been extensively studied for Newtonian and non-Newtonian liquids displaced by air in a Hele-Shaw cell. However displacement flows involving two liquids of comparable viscosity (nonzero viscosity ratio) have received very little attention. It was presented the details of construction of a Hele-Shaw applicable to a liquid-liquid displacement. The evolution of the shape of the interface was analyzed through a digital camera, as a function of the geometric, dynamic and rheological parameters. From tracing the shape of the interface, was determined the displacement efficiency. Thus, it was defined the spectrum of situations in which there is formation of fingers and plugs relating to displacement of xanthan gum by a mineral oil. There is no universal convention in the literature for presenting the results so a original contribution concerns the proposed dimensionless parameters. The main parameters that govern this flow are the dimensionless flow rate, the rheological capillary number and the behavior index of xanthan gum. It was observed that for a constant value of the behavior index and for a rheological capillary number of magnitude of 10-1, the displacement efficiency increases with the dimensionless flow rate, because the viscosity ratio decreases.

[pt] Uma abordagem experimental foi utilizada para o estudo da eficiência de varredura de fluidos viscoplásticos na célula de Hele-Shaw , que representa um meio poroso com porosidade constante. A análise baseia-se em um fluido empurrando outro onde, pela razão de viscosidades acima do punto de referência , manifesta-se a instabilidade de Saffman-Taylor, que desencadeia em uma interface instável com divisões sucessivas conhecidas como viscous fingers. A formação da instabilidade é considerada uma condição indesejável, e no caso da indústria petrolífera, torna-se de interesse na invasão da formação pelo fluido de perfuração, pasta de cimento, e no deslocamento de petróleo pesado em reservatórios entre outros. Apesar de que o fenômeno é vastamente estudado utilizando a célula de Hele-Shaw, a maioria dos trabalhos concentram-se no deslocamento de líquidos newtonianos por ar, deixando uma ampla gama de possibilidades de estudo, particularmente no que diz respeito aos fluidos não newtonianos. Utilizando equipamentos que permitem assegurar uma vazão constante de injeção, testou-se três concentrações diferentes de solução aquosa de carbopol em duas configurações diferentes onde o líquido viscoplástico é o deslocador e vice-versa. Fazendo uso do processamento digital de imagens, avaliou-se a forma da interface em função do desvio padrão, além da velocidade e da eficiência de varredura no deslocamento. Determinaram-se parâmetros adimensionais em função da geometria da bancada e dos fatores dinâmicos e reológicos dos fluidos onde se obtiveram duas zonas vem marcadas de varredura. Observou-se que a razão de viscosidades e o número de capilaridade modificada crítica são os indicadores que governam o deslocamento. / [en] An experimental approach has been used to study the sweep efficiency of viscoplastic fluid in a Hele-Shaw cell, which represents a porous medium with constant porosity. The analysis is based on a lower viscosity fluid pushing a more viscous through a geometry, which manifests the instability of Saffman-Taylor, that result in an unstable interface with successive divisions known as viscous fingers. The occurrence of instability is considered an undesirable condition, and in the petroleum oil industry, it becomes of interest in the reservoir oil invasion and heavy oil displacement in reservoirs. Despite being widely studied, most studies focus on the displacement of Newtonian liquids by air, leaving the field of study of non-Newtonian fluids without being evaluated where none of viscosities of the fluids involved can be considered negligible. Using equipment that ensures a constant flow rate of injection three different aqueous concentrations of carbopol were tested in two different configurations: carbopol as the displacing fluid and vice-versa. Using digital image processing, the shape interface was evaluated according to their standard deviation, average velocity and efficiency sweep during the displacement. Determined dimensionless parameters was evaluated in function of the experimental geometry, dynamic and rheological factors of the fluids in order to get benchmark that allow separating interfaces zones that tend to 100 per cent or plugs and the zone where the viscous fingers reveal themselves. It was found that the viscosity ratio and modified critical capillary govern the displacement.

Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo a Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / Em suma, esta tese propõe uma metodologia de acompanhamento de interfaces móveis que baseia-se no método dos conjuntos de nível aqui chamado de método das curvas de nível, uma denominação baseada nas aplicações em que as interfaces são representadas por curvas acoplado a uma implementação semi-Lagrangeana, para problemas em meios porosos. Embora esta técnica possa, em princípio, ser aplicada a qualquer problema físico que apresente uma interface móvel, nesta tese são focados escoamentos em meios porosos consolidados e saturados por um ou dois fluidos imiscíveis e incompressíveis. Adicionalmente, um método iterativo paralelizável para a resolução de sistemas de equações lineares definidos em redes, que podem ser reduzidos à forma das equações fundamentais de equilíbrio, é empregado na determinação dos campos de velocidade associados aos escoamentos em meios porosos. O cenário semi-Lagrangeano acoplado ao método das curvas de nível é comparado com a implementação utilizando o bem conhecido esquema up-wind. Um exaustivo estudo realizado revela a superioridade da metodologia proposta frente à concorrente utilizando o up-wind. Finalmente, o método das curvas de nível com implementação semi-Lagrangeana (método semi-Lagrangeano das curvas de nível), e o método iterativo para a determinação do campo de velocidades são aplicados no estudo de problemas transientes em meios porosos que apresentam instabilidades dos tipos Saffman-Taylor e Rayleigh-Taylor. Este estudo envolve uma análise de estabilidade linear, a introdução de diversas perturbações trigonométricas na interface e a sua evolução não-linear. / Briefy, this thesis proposes a method for capturing moving interfaces based on the level set method coupled to a Semi-Lagrangian implementation for problems in porous media. Although this method could, in principle, be applied to any physical problem with moving interfaces, we foccus, in this thesis, on flows inside a consolidated porous media saturated by one or two imiscible and incompressible fluids. Besides, a parallelizable iterative method for solving linear systems defined on a network that can be reduced to the fundamental equilibrium equations, is employed to determine the velocity field associated with the flow in a porous medium. The semi-Lagrangian scheme coupled with the level set method is compared with the well-known implementation with the up-wind scheme. An exhaustive study is performed and reveals the superiority of the proposed scheme in relation to the competing one using the up-wind method. Finally, the level set method with semi-Lagrangian implementation and the iterative method for determining the velocity field are applied to the study of transient problems in porous media which present Saffman-Taylor and Rayleigh-Taylor instabilities. This study involves the application of a linear stability analysis, the introduction of several trigonometric perturbations to the interface and its non-linear evolution.

Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo a Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / Em suma, esta tese propõe uma metodologia de acompanhamento de interfaces móveis que baseia-se no método dos conjuntos de nível aqui chamado de método das curvas de nível, uma denominação baseada nas aplicações em que as interfaces são representadas por curvas acoplado a uma implementação semi-Lagrangeana, para problemas em meios porosos. Embora esta técnica possa, em princípio, ser aplicada a qualquer problema físico que apresente uma interface móvel, nesta tese são focados escoamentos em meios porosos consolidados e saturados por um ou dois fluidos imiscíveis e incompressíveis. Adicionalmente, um método iterativo paralelizável para a resolução de sistemas de equações lineares definidos em redes, que podem ser reduzidos à forma das equações fundamentais de equilíbrio, é empregado na determinação dos campos de velocidade associados aos escoamentos em meios porosos. O cenário semi-Lagrangeano acoplado ao método das curvas de nível é comparado com a implementação utilizando o bem conhecido esquema up-wind. Um exaustivo estudo realizado revela a superioridade da metodologia proposta frente à concorrente utilizando o up-wind. Finalmente, o método das curvas de nível com implementação semi-Lagrangeana (método semi-Lagrangeano das curvas de nível), e o método iterativo para a determinação do campo de velocidades são aplicados no estudo de problemas transientes em meios porosos que apresentam instabilidades dos tipos Saffman-Taylor e Rayleigh-Taylor. Este estudo envolve uma análise de estabilidade linear, a introdução de diversas perturbações trigonométricas na interface e a sua evolução não-linear. / Briefy, this thesis proposes a method for capturing moving interfaces based on the level set method coupled to a Semi-Lagrangian implementation for problems in porous media. Although this method could, in principle, be applied to any physical problem with moving interfaces, we foccus, in this thesis, on flows inside a consolidated porous media saturated by one or two imiscible and incompressible fluids. Besides, a parallelizable iterative method for solving linear systems defined on a network that can be reduced to the fundamental equilibrium equations, is employed to determine the velocity field associated with the flow in a porous medium. The semi-Lagrangian scheme coupled with the level set method is compared with the well-known implementation with the up-wind scheme. An exhaustive study is performed and reveals the superiority of the proposed scheme in relation to the competing one using the up-wind method. Finally, the level set method with semi-Lagrangian implementation and the iterative method for determining the velocity field are applied to the study of transient problems in porous media which present Saffman-Taylor and Rayleigh-Taylor instabilities. This study involves the application of a linear stability analysis, the introduction of several trigonometric perturbations to the interface and its non-linear evolution.