Made available in DSpace on 2015-03-04T18:57:39Z (GMT). No. of bitstreams: 1 RochaMSc2012.pdf: 6009136 bytes, checksum: ff02334f6689f3a9934cb90d26026eda (MD5) Previous issue date: 2013-02-05 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Cientifico e Tecnologico / A new two-scale computational model is constructed for swelling porous media. The model, based on the homogenization technique is applied to the nanoscopic governing equations of the electro-chemo-mechanical coupling that arises when the charged solid matrix is saturated by an electrolyte solutions containing cations and anions. The non-local pore-scale model is constructed within the framework of Statistical Mechanics and leads to a Fredholm integral equation of second type for the ion-particle correlation function coupled with Poisson problem for the electric potential. When combined with the fluid equilibrium condition such problem gives rise to a constitutive law for the fluid stress tensor in terms of the disjoining pressure which dictates the swelling of the porous medium. The homogenization procedure, based on formal asymptotic expansions, is applied to up-scale the model to the macroscale leading to a two-scale constitutive law for the swelling pressure appearing in the modified effective stress principle. Within the framework of Statistical Mechanics the two-scale model is capable of capturing the deviations from the classical Gouy-Chapman Poisson-Boltzmann-based theory (which treat the ions as point charges) induced by the finite size short-range ion-ion correlations effects due to the treatment of the ions as charged hard spheres with charge located at their center. Numerical solutions of the integro-differential problem posed in a periodic cell are constructed making use of a sequential algorithm which consists of delaying the terms independent of the electric potential in the Poisson equation. Application of this technique give rise to two problems, the first being a non-linear Poisson problem, discretized by Galerkin's method and the second consisting of integral equations for the correlation functions. These in turn are discretized by the Collocation method taking as basis functions the eigenfunctions related to their respective kernels. With this choice of basic functions, each integral equation reduces to an algebraic equation. In this context we are faced with two new problems. The first consists of the integral eigenvalue problems concerning the kernels, discretized by Galerkin's method and the second a system of nonlinear equations for the coefficients of expansions of the unknowns. Numerical results for the correlation functions and electric potential are obtained for two-dimension and stratified arrangements of the macromolecules. Continuing in the stratified arrangements results for the swelling pressure are obtained showing that the effects of ion-ion correlation forces give rise to anomalous attraction patterns between the particles for divalent ions. Such class of attractive adverse phenomena lead to new reactive transport regimes of contaminants in swelling media due to the anomalous adsorption/desorption of the ionic species coupled with clay swelling. / Neste trabalho construímos um novo modelo computacional em duas escalas de meios porosos expansivos (argila, polímeros, tecidos biológicos) advindo do processo de homogeneização das equacões postas na escala dos nano-poros governantes do acoplamento eletro-químico-mecânico quando a matriz porosa, carregada negativamente na superfície do sólido, é saturada por uma solução eletrolítica composta por cátions e ânions. O modelo não local construído na escala dos nano-poros é baseado na Mecânica Estatística e conduz a uma equação efetiva integral de Fredholm de segunda espécie para a função de correlação íon-partícula acoplada com o problema de Poisson para o potencial elétrico. Quando combinado com a condição de equilíbrio no fluido, tal problema eletro-químico dá origem à uma lei constitutiva para o tensor de tensões do fluido formulada em termos da pressão de disjunção governante do inchamento do meio poroso. O processo de homogeneização baseado em expansões assintóticas é utilizado na macroscopização do modelo levando à uma lei constitutiva em duas escalas para a pressão de disjunção que surge no princípio das tensões efetivas modificado e cuja magnitude governa a expansão do meio poroso. No contexto da Mecânica Estatística, o modelo em duas escalas é capaz de capturar desvios em relação a teoria clássica de Gouy-Chapman Poisson-Boltzmann (que trata os íons como cargas pontuais) induzidos pelos efeitos das correlações de curto alcance íon-íon devido ao tratamento destes como esferas duras com carga elétrica localizada no centro de cada esfera. Soluções numéricas do problema integro-diferencial posto na célula periódica são construídas fazendo uso de um algoritmo sequencial que consiste em atrasar os termos independentes do potencial elétrico na equação de Poisson. A aplicação desta técnica dá origem a dois problemas, sendo o primeiro um problema de Poisson não linear, discretizado pelo método de Galerkin e o segundo que consiste nas equações integrais para as funções de correlação. Estas por sua vez são discretizadas pelo método da Colocação tomando como funções base as autofunções relacionadas aos seus respectivos núcleos. Com esta escolha das funções de base, cada equação integral naturalmente se reduz a uma equação algébrica. Neste contexto construímos dois novos problemas. O primeiro consiste nos problemas integrais de autovalores para os autopares relativos aos núcleos, discretizados pelo método de Galerkin e o segundo um sistema de equações não lineares para os coeficientes das expansões das incógnitas. Resultados numéricos para as funções de correlacão e potencial elétrico são apresentados para arranjos bidimensionais e estratificados de macromoléculas. Ainda nos arranjos estratificados resultados para a pressão de disjunção são obtidos mostrando que efeitos das correlações íon-íon estão associados a perfis anômalos de atração entre as partículas para íons bivalentes. Tal classe de fenômenos atrativos adversos dá origem a novos regimes de transporte reativo de contaminantes em solos argilosos expansivos devido ao surgimento do processo anômalo de adsorção/dessorção do poluente acoplado ao inchamento da argila.

Made available in DSpace on 2015-03-04T18:57:59Z (GMT). No. of bitstreams: 1 dissertacao.pdf: 2728107 bytes, checksum: 5610abd36ff0ae1a434586b6ee7bafda (MD5) Previous issue date: 2013-12-20 / In this work we propose an extension of the technique of discontinuities embedded in finite elements, firstly proposed in the context of Solid Mechanics, to the scenario of hydromechanical coupling in petroleum reservoirs within the framework of the iterative coupled formulation. Considering a poroelastic reservoir fully-saturated by a single incompressible fluid containing geological faults, we introduce additional degrees of freedom associated with the jumps in displacement and pore pressure in the vicinity of the fault, which arises from the homogenization of the microscopic problem perturbed by the parameter $varepsilon=H/L$, where $H$ and $L$ denote the fault width and a characteristic length of the reservoir. In the asymptotic limit $varepsilon o 0$ the jumps are resolved through the enforcement of continuity of the normal components of total stress and Darcy velocity in the vicinity of the fault. Making use of such restrictions at collocation points in the elements that intersect the discontinuity we adopt a static condensation procedure to eliminate the degrees of freedom of the jumps, leading to a problem solely posed in terms of the regular parts of the poromechanical fields giving rise to perturbed stiffness and mass matrices. The resultant numerical modeling is applied to numerically simulating fluid injection problems in reservoirs coupled in the geomechanical sense with impermeable cap rocks. The numerical simulations provide insight into possible scenarios to predict the onset of fault activation. Examples characterized by possible scenarios of fault activation are discussed in the case of the Brazilian pre-salt geological formations. / Este trabalho propõe a extensão do método de descontinuidade embebida no elemento, inicialmente proposto em Mecânica dos Sólidos na presença de descontinuidades fortes (falhas), para o cenário do acoplamento hidrogeomecânico em reservatórios de petróleo no contexto da formulação iterativamente acoplada. Considerando a rocha produtora poroelástica saturada por um fluido incompressível cortada pela presença de falhas geológicas seladas, introduzimos graus de liberdade adicionais associados aos saltos dos campos de deslocamento e poro-pressão ao longo da falha, os quais são advindos da homogeneização do problema microsc ópico perturbado pelo parâmetro " = H=L, onde H denota a largura da falha e L um comprimento característico do reservatório. No limite assintótico " ! 0 os saltos são resolvidos através da imposição da continuidade das componentes normais da tensão total e da velocidade de Darcy na vizinhança da descontinuidade. Fazendo uso desta restrição em pontos de colocação ao longo dos elementos cortados pela falha, adotamos o procedimento de condensação estática e eliminamos os graus de liberdade dos saltos, dando origem a um problema formulado puramente em termos das partes regulares dos campos poromecânicos porém com matrizes de rigidez e massa perturbadas. O modelo numérico resultante é aplicado à simulação do problema de injeção de fluidos em reservatórios acoplados geomecanicamente com rochas capeadoras impermeáveis, com objetivo de previsão de possíveis cenários de início do processo de reativação de falhas. São discutidos exemplos caracterizados por possível ativação no caso do pré-sal brasileiro.

Submitted by Maria Cristina (library@lncc.br) on 2015-05-06T18:57:18Z No. of bitstreams: 1 Texto completo.pdf: 760435 bytes, checksum: fcd8352f099442873ca1ab59e54056ab (MD5) / Approved for entry into archive by Maria Cristina (library@lncc.br) on 2015-05-06T18:57:35Z (GMT) No. of bitstreams: 1 Texto completo.pdf: 760435 bytes, checksum: fcd8352f099442873ca1ab59e54056ab (MD5) / Made available in DSpace on 2015-05-06T18:57:51Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Texto completo.pdf: 760435 bytes, checksum: fcd8352f099442873ca1ab59e54056ab (MD5) Previous issue date: 2007-08-23 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / In this work we propose a model of two scales to describe the two-phase drainage in fractured poroelasty environment. The derivation of the macroscopic model is obtained through a technique of homogenization of periodic structures applied to the micromechanical model that governs the micro-structure of the environment composed by matrix poroelastic surrounded by a related net of fractures filled out by two Newtonian incompressible immiscible fluids, such as water and oil. In this context, our main result consists of obtaining a hierarchy of macroscopic models with effective parameters. The constituent theory that governs the behavior of these parameters is built through resolution of the local problems of closing that appear of the process of scale change. Among the homogenized parameters we give a particular emphasis to the constituent law obtained for the stress of the effective tensions. Besides the poroelastic behavior with the deformation of the porous skeleton this exhibits the additional dependence with the intermolecular tensions emerging of the discontinuity of the saturation between the systems of blocks and fractures. Numerical simulations of the local cells problems obtained by the method of the finite elements are explored in the reconstruction of the constituent laws of the homogenized coefficients. / Neste trabalho propomos um modelo a duas escalas para descrever escoamentos multifásicos em meios poroelásticos fraturados. A derivação do modelo macroscópico é obtida via técnica de homogeneização de estruturas periódicas aplicada ao modelo micromecânico que governa a microestrutura do meio composta por uma matriz poroelástica circundada por uma rede conexa de fraturas preenchidas por dois fluidos Newtonianos imiscíveis incompressíveis, tais como água e óleo. Neste contexto o nosso principal resultado consiste na obtenção de uma hierarquia de modelos macroscópicos com parâmetros efetivos. A teoria constitutiva que rege o comportamento destes parâmetros é construída via resolução dos problemas locais de fechamento que surgem do processo de mudança de escala. Dentre os parâmetros homogeneizados damos ênfase particular à lei constitutiva obtida para o tensor das tensões efetivas. Além do comportamento poroelástico com a deformação do esqueleto poroso, esta exibe a dependência adicional com as tensões intermoleculares advindas da descontinuidade da saturação entre os sistemas de blocos e fraturas. Resultados computacionais dos problemas de célula locais, obtidos pelo método dos elementos finitos, são explorados na reconstrução das leis constitutivas dos coeficientes homogeneizados.

This work focuses on the study of impinging jets actuating in both the presence and absence of a porous bed, in both laminar and turbulent regimes by using numerical simulations. Porous medium was treated as rigid, homogeneous and isotropic. The macroscopic transport equations are written for an elementary representative volume yielding a set of equation valid for the entire computational domain. These equations are discretized using the control volume method and the resulting system of algebric equations are solved by the SIP algorithm utilizing the SIMPLE method for the pressure-velocity coupling. Initially, the laminar flow regime is analyzed, followed by turbulent flow simulations, utilizing both Low and High Reynolds turbulence models. Derivations are carried out under the recently established double-decomposition concept. Results show good agreement with literature data, for both laminar and turbulent cases.

A presente proposta tem como objetivo investigar numericamente a influência de uma inserção porosa em um tubo com contração súbita, no qual duas contrações abruptas diferentes foram empregadas com razão entre as seções de 0,285 e 0,10. Casos com escoamento em regime laminar e turbulento são estudados. Na simulação numérica, são empregadas as equações macroscópicas de conservação de massa, quantidade de movimento e de grandezas turbulentas baseadas no conceito da dupla decomposição, as quais são válidas em todo o domínio computacional. Para o fechamento das equações, modelos de turbulência macroscópico k-e lineares de Alto e Baixo Reynolds e não linear de Alto Reynolds são empregados. Primeiramente, os resultados da simulação, sem a inserção porosa, são comparados com dados obtidos de experimentos existentes na literatura, onde o principal parâmetro de comparação é o coeficiente de perda de carga localizada (kc) devido às súbitas mudanças de seção. Em seguida, o escoamento no duto é simulado numericamente com uma inserção porosa. Parâmetros como porosidade, permeabilidade e espessura são variados, onde, para cada caso, as perdas de carga no duto e o comportamento do escoamento na região de contração são analisados e comparados com os respectivos casos sem inserção porosa. No escoamento em dutos com contração súbita, observa-se uma bolha de recirculação logo após a contração que causa uma diminuição da área útil de passagem de fluido, fenômeno conhecido como vena contracta. A contração adicional (vena contracta) gera uma perda de carga ainda mais elevada, assim uma inserção porosa colocada logo após a contração pode diminuir ou eliminar essa recirculação reduzindo seu efeito no aumento da perda de carga. Porém, por outro lado, a própria inserção porosa gera uma perda de carga adicional. Além disso, em muitas situações na engenharia é desejável eliminar ou reduzir a recirculação, bem como uniformizar o escoamento à jusante da contração no duto. No entanto, dependendo de certos parâmetros, tais como porosidade, espessura e permeabilidade da inserção porosa, a perda de carga gerada pode ser muito elevada. Logo, este trabalho visa investigar o problema de forma a obter um melhor entendimento da interdependência dos parâmetros que compõem o meio poroso no comportamento global do escoamento. No cálculo da perda de carga localizada no duto para os casos sem inserção porosa em escoamento turbulento, os resultados obtidos utilizando o modelo de turbulência não linear apresentam uma melhor concordância com os resultados experimentais encontrados na literatura se comparados aos obtidos através dos modelos lineares. Para os casos com inserção porosa, os resultados mostram que apesar da redução ou eliminação da recirculação, as perdas de carga são sempre mais elevadas se comparadas aos casos sem inserção porosa. Além disso, este trabalho mostra o quanto a bolha de recirculação é amortecida e, ao mesmo tempo, o quanto de perda de carga adicional é gerada dependendo de cada inserção porosa considerada, o que pode ser de extrema utilidade em muitos projetos termo-mecânicos, onde, por exemplo, se deseja reduzir ou eliminar a bolha de recirculação e aumentar a troca de calor.

This work focuses on the study of flow and heat transfer in a parallel plate channel with solid and porous baffles, in both laminar and turbulent regimes by using numerical simulations. The main concern is to validate results by using a unique set of equations (for porous, solid and clear domain) for channels with solid baffles, after that change solid to porous baffles and study the effects on flow and heat transfer. Porous medium is treated as rigid, homogeneous and isotropic. The macroscopic transport equations are written for an elementary representative volume, yielding a set of equation valid for the entire computational domain. These equations are discretized using the control volume method, and the resulting system of algebraic equations is solved by the SIP algorithm utilizing the SIMPLE method for the pressure-velocity coupling. Initially, the laminar flow regime is analyzed, followed by turbulent flow simulations, utilizing both Low and High Reynolds turbulence models. Three different baffles heights were chosen for laminar and turbulent flow, aiming for further comparisons to literature data. Derivations are carried out under the recently established double-decomposition concept. Results show good qualitative agreement with literature data, for both laminar and turbulent cases, and good quantitative agreement with literature data, for laminar and some turbulent results.

Neste trabalho são estudados jatos impingentes, bidimensionais confinados incidindo sobre uma placa aquecida que pode estar ou não coberta por uma camada porosa. O problema foi considerado bidimensional e as simulações foram feitas para o escoamento tanto no regime laminar, quanto no regime turbulento. O meio poroso foi considerado rígido, homogêneo e isotrópico. Utilizou-se o conceito da dupla decomposição para a obtenção das equações macroscópicas que modelam o meio poroso. Estas equações foram discretizadas usando-se o método dos volumes finitos e o acoplamento pressão-velocidade foi resolvido usando o conhecido método SIMPLE. Foram investigadas, principalmente, a distribuição do Nusselt local na placa de incidência e a quantidade de calor retirada da placa, com ou sem a presença do meio poroso. Viu-se que, tanto para o regime laminar quanto para o turbulento, o uso do meio poroso possibilitou amenizar os elevados gradientes de temperatura, distribuir o fluxo de calor ao longo da placa e aumentar a transferência de calor.

The influence of physical properties on heat transfer between solid and fluid phases is investigated for laminar and turbulent flows in a channel filled with a moving porous material. Concurrent, counterflow and crossflow configurations are analyzed. To simulate flow and heat transfer between phases, a two-energy equation model using a thermal non-equilibrium condition is applied. Transport equations are discretized using the control volume method and the system of algebraic equations is relaxed via the SIMPLE algorithm. Validations are made for laminar model under concurrent and counterflow configurations. Effects of thermal and hydrodynamic properties on heat transfer for several conditions are analyzed and compared with analytical results in the literature. For concurrent laminar flow, simulations indicate that, when the speed of the solid approaches that of the fluid, the strong axial convection of the solid phase, as well as the reduction of the relative velocity, cause an increase in the axial length needed for thermal equilibrium between phases to occur. Longer thermal developing lengths are also found for higher permeability and porosity. Results for a counterflow moving bed indicate that motion of the solid material, contrary to the direction of the fluid, enhances heat transfer between phases. The same effect is observed for smaller Darcy number and porosity, as well as for higher solid-to-fluid thermal capacity and thermal conductivity ratios. In the case of crossflow, where there are two fluid inlets, more energy is convected into the system in both longitudinal and transversal directions .The fluid temperature reaches the highest values in the symmetry region of the channel. This occurs mainly for high velocity, high thermal capacity and high thermal conductivity ratios between fluid and solid phases. These behaviors were observed for laminar and turbulent flows, in both fully filled and half filled channels. The studies presented here might have applications to problems involving engineering equipment in which a moving porous bed is identified.

This work presents one and two dimensional numerical results for combustion of an air/methane mixture in inert porous media, using both laminar and turbulence models, and radiation. Comparisons with experimental data are reported. The burner used as reference is composed by a preheating section followed by a combustion region. Macroscopic equations for mass, momentum and energy are obtained based on the volume average concept. Distinct energy equations are considered for the solid phase and the flowing gas. The numerical technique employed for discretizing the governing equations was the control volume method with a boundary-fitted non-orthogonal coordinate system. The SIMPLE algorithm was used to relax the entire equation set. Inlet velocity, excess air ratio, porosity and solid thermal conductivity were varied in order to investigate their effect on temperature profiles and flame front position. Results indicate that higher inlet velocities result in higher gas temperatures, pushing the flame front towards the exit of the burner, following a similar trend observed in the experimental data used for comparisons. Burning mixtures close to the stoichiometric conditions also increased temperatures, as expected, and brings the flame front to preheating region, next to inlet. Increasing the thermal conductivity of the preheating section reduced peak temperature in combustion region. The use of porous material with very high thermal conductivity on the combustion region did not affect significantly temperature levels or flame front profiles.

Neste trabalho é analisado o transporte de calor em meios porosos rígidos, homogêneos e saturados com um fluido incompressível e monofásico, para os regimes de escoamento laminar e turbulento. As equações de transporte de energia macroscópicas para o fluido e para a matriz porosa (sólido), são obtidas com o auxílio do conceito de dupla decomposição, donde surge o termo de 'dispersão térmica turbulenta'. A hipótese de Equilíbrio Térmico Local é utilizada para obter um modelo de uma-equação para o meio poroso. Os fluxos térmicos devido à tortuosidade e dispersão, que aparecem no processo de aplicação das médias temporal e volumétrica, são representados por um modelo de difusão proporcional ao gradiente da média intrínseca da temperatura média no tempo. Os tensores de condutividade térmica resultantes desse modelo são obtidos de dois modos: a) Para as componentes turbulentas, devidas às flutuações temporais da velocidade e temperatura, é utilizado o modelo de difusividade térmica turbulenta onde a viscosidade turbulenta macroscópica é obtida através do modelo k-e macroscópico, e b) Para as componentes de tortuosidade e dispersão, devidas aos desvios espaciais da velocidade e temperatura, são utilizados os resultados obtidos para os campos microscópicos de velocidade e temperatura em uma célula unitária com condições de contorno periódicas para o escoamento e um gradiente de temperatura imposto. O modelo macroscópico assim obtido, juntamente com as condições de contorno/interface apropriadas, é então utilizado na solução de problemas em meios híbridos, i.e., regiões compostas por meios sólidos e/ou porosos e/ou meio limpo (apenas fluido) num único domínio de cálculo.