Orientadores: Edvaldo Sabadini, Marcelo Ganzarolli de Oliveira / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Quimica / Made available in DSpace on 2018-08-04T16:22:53Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Guersoni_VanessaCristinaBizotto_M.pdf: 9347643 bytes, checksum: 24691aae57bff9b610fd4cc69b001d75 (MD5) Previous issue date: 2004 / Mestrado / Físico-Química / Mestre em Química

Orientador: Edvaldo Sabadini / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Quimica / Made available in DSpace on 2018-08-11T15:29:05Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Guersoni_VanessaCristinaBizotto_D.pdf: 3480518 bytes, checksum: 90d693157249a652dfd8cc9e674e7ad2 (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: Quando pequenas quantidades (da ordem de ppm) de polímeros de elevada massa molecular são dissolvidos num solvente submetidos a um escoamento turbulento, elevados níveis de redução de atrito hidrodinâmico (RA) podem ser obtidos. Quando o fluido entra em regime turbulento, ocorrem flutuações de velocidade, perturbações conhecidas por vórtices, com ampla distribuição de tamanhos. As perturbações de pequena dimensão são associadas com a perda de energia viscosa do líquido sob escoamento, sendo que os agentes redutores de atrito atuam nestas estruturas. Uma teoria bastante interessante foi desenvolvida por De Gennes para explicar o fenômeno de redução de atrito hidrodinâmico. Segundo esta teoria, deve haver uma ressonância entre a freqüência de desenvolvimento de vórtices com a freqüência de estiramento da macromolécula (dissolvida na solução) para que ocorra o truncamento da cascata de vórtices, diminuindo a dissipação de energia viscosa e, consequentemente, reduzindo o atrito hidrodinâmico. Assim, a flexibilidade da macromolécula que promove a redução de atrito é muito significativa. Neste estudo, foram usados dois polímeros flexíveis, poli(óxido de etileno), PEO e poliacrilamida, PAM, e empregadas duas técnicas para se investigar a teoria de De Gennes: impacto de gotas (¿splash¿) e reometria. No ¿splash¿, a redução de atrito foi estudada pela rápida deformação do líquido durante o impacto da gota, usando as imagens obtidas em uma câmera de alta velocidade. A porcentagem de RA foi determinada com base na altura do jato Rayleigh (uma das estruturas do ¿splash¿). Estes estudos permitiram estabelecer correlações entre a dinâmica de deformação do líquido e da cadeia polimérica. A redução de atrito estudada por reometria se baseia na mudança do esforço (torque) para manter o líquido em determinada rotação. Os resultados obtidos no reômetro são bastante reprodutíveis e permitiram a determinação de efeitos de redução de atrito para concentrações do agente de apenas 2 ppm. A degradação mecânica sofrida pelos polímeros, ao serem submetidos a intenso cisalhamento, também foi avaliada no reômetro rotacional. Um modelo cinético foi proposto para comparar a estabilidade de PEO e PAM frente a degradação mecânica. Observou-se que intrinsecamente os dois polímeros degradam na mesma taxa. Os estudos desenvolvidos no reômetro também permitiram avaliar os efeitos elásticos do agente redutor de atrito (de acordo com a teoria de de Gennes). Estes foram desenvolvidos adicionando-se pequenas concentrações (menores de 1%) de partículas rígidas de sílica em soluções aquosas contendo sistemas flexíveis (PEO). A adsorção de PEO sobre as partículas de sílica levam a formação de sistemas semi-flexíveis, afetando significativamente a capacidade de redução de atrito hidrodinâmico / Abstract: When a very small amount (in the range of ppm) of a polymer with high-molecular weight is added in turbulent flow, it can cause drastic reduction of frictional drag. In turbulent flow, the velocity fluctuation (vortices) with large size distribution is observed. The small fluctuations are associated with the loss of kinetic energy of the liquid, due to its viscosity, and the drag reducing agents act in these structures. An interesting theory was developed by de Gennes to explain the drag reduction phenomenon. According to this theory, the frequencies in which the vortices are created and the stretching of the polymer chain must be in resonance, in order to avoid the growing of the cascade of vortices, decreasing the loss of the energy (due to the viscosity), and consequently promoting the drag reduction. Therefore, the flexibility of the macromolecule is very important. In this study two flexible polymers, poly(ethylene oxide), PEO, and polyacrylamide, PAM, were used, and two techniques: the impact of drops (splash) and rheometry were employed to investigate the theory of de Gennes. For splash, the drag reduction was studied using the images of the liquid deformation during the drop impact (in range of some mili-seconds) obtained in a very fast digital camera. The percentage of drag reduction was determined using the maximum height of the Rayleigh jet (one of the splash structures). This study allows us to correlate the dynamic of the liquid deformation and the stretching of the polymer chain. The drag reduction using rheometry is based on the torque necessary to keep the liquid in a specific rotation. The results using the rheometer are very reproducible, allowing the determination of drag reduction even in very low polymer concentration (such as 2 ppm). The polymer mechanical degradation, due to the high shear, was also investigated in the rotational rheometer. A kinetic model was proposed to compare the mechanical stability of both polymers. It was observed that intrinsically, the two polymers undergo degradation in the same rate. The studies in the rheometer also allow the investigation of the elastic effect of the drag reducer agents (according to the theory of de Gennes). They were developed by adding small amounts of colloidal silica particles (less than 1%). The adsorption of the PEO chain at the surfaces of the particle, results in a semi-flexible system, affecting the capability of the particle to promote drag reduction / Doutorado / Físico-Química / Doutor em Ciências

Orientadores: Antonio Carlos Bannwart, Edvaldo Sabadini / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica e Instituto de Geociências / Made available in DSpace on 2018-08-18T05:50:39Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Destefani_ThaisCristina_M.pdf: 2402197 bytes, checksum: 41c2a60d04751d025a08cd311d99302a (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: A redução de atrito hidrodinâmico tem importantes aplicações em engenharia de petróleo, propiciando a produção e o transporte de petróleo ou seus derivados a vazões mais altas. As dimensões continentais do território brasileiro implicam na necessidade de uma eficiente rede de distribuição de derivados de petróleo, como por exemplo, o óleo diesel. O presente trabalho visa investigar o desempenho de dois agentes redutores de atrito (ARA's) comerciais que, injetado em ínfimas proporções (da ordem de ppm) em uma tubulação de escoamento de diesel, podem causar significativa diminuição em sua tensão de cisalhamento turbulenta, reduzindo a queda de pressão por atrito durante seu escoamento no interior de um tubo. Em uma primeira fase, as amostras com e sem ARA foram testadas em um reômetro, utilizando uma cela tipo Couette, avaliando a proporção do torque aplicado no diesel puro e no diesel com ARA, a uma mesma velocidade angular. Com uma concentração de 7 ppm foi observada uma redução de atrito da ordem de 13% e 18% para cada um dos aditivos. A avaliação da redução do atrito em tubulação consiste na comparação do diferencial de pressão obtido para escoamento de diesel com e sem ARA em um trecho de tubo. Estes experimentos mostram uma redução de atrito de 48% e 58% na injeção de 50 ppm de cada um dos aditivos estudados. Apesar dos experimentos em reômetro terem maior rapidez, controle de variáveis e menor consumo de materiais, o escoamento no interior da cela Couette é diferente em relação ao escoamento em tubulações. No entanto, os testes em tubulações são mais próximos das demandas reais, sendo assim importantes para o entendimento do fenômeno / Abstract: The drag reduction has important applications in petroleum engineering, allowing production and transportation of oil and derivatives at higher flow rates. The continental dimensions of Brazil implies the necessity for an efficient distribution network for oil products, such as diesel. This study aims to investigate the performance of two commercial drag reduction agents (DRA's), injected in very small proportions (the order of ppm) in a diesel fuel pipe flow. This injection may induce significant decrease in the turbulent shear stress, reducing the pressure drop by friction during the flow inside a tube. In a first step, samples with and without DRA were tested in a rheometer using a Couette cell type. The ratio of torque applied in pure diesel and diesel with DRA were analyzed at the same angular velocity. Using 7 ppm of concentration for both DRA, it was observed drag reduction of the order of 13% and 18% for each additives. The analysis of drag reduction in pipe flow involves the ratio of pressure differential by the flow of diesel with and without DRA in a section of tube. These tests show a drag reduction of 48% and 58% with 50 ppm for each DRA studied. Despite the rheometer experiments offer greater speed, control variables and lower consumption of materials, the flow inside the Couette cell is different compared with flow pipes. However, tests on pipes are closer to real demands therefore important for understanding the drag reduction phenomenon. With these experimental data, it is expected to determine correlations between tests in pipeline and rheometer, estimating the turbulence effect in these two systems / Mestrado / Explotação / Mestre em Ciências e Engenharia de Petróleo

Orientador: Edvaldo Sabadini / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Química / Made available in DSpace on 2018-08-18T08:47:56Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Ito_ThiagoHeiji_M.pdf: 9507666 bytes, checksum: 9c5cb27aa349ff6d08d87d4e89723fb2 (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: A formação, estabilidade e aplicações das micelas gigantes têm sido amplamente estudadas. Estes sistemas são muito interessantes devido ao seu comportamento reológico similar aos polímeros. Porém, as micelas gigantes são espécies supramoleculares mantidas por ligações não-covalentes, portanto, sob alta turbulência, podem resistir à degradação mecânica, além de promoverem redução de atrito hidrodinâmico devido ao efeito Toms. Neste estudo, a formação e estabilidade das micelas gigantes formadas pela combinação de surfatantes catiônicos e diferentes compostos aromáticos, foram estudadas sistematicamente. A redução de atrito foi observada medindo o torque aplicado à solução para manter a turbulência. A temperatura do sistema foi progressivamente aumentada, mostrando o ponto específico em que as micelas gigantes são termicamente destruídas. Baseado neste estudo foi possível estabelecer a ordem em termos de estabilidade: ácido orto-hidróxicinâmico (OHCA) ~ salicilato > tosilato > ácido orto-metóxi-cinâmico (OMCA) > fenol. Para benzoato e metóxibenzoato não foi observada a formação de micelas gigantes. Estes resultados revelam algumas interações peculiares entre a cabeça do surfatante e a molécula aromática. Em regimes semidiluídos, começa haver entrelaçamentos das macroestruturas, formando géis de Maxwell, assim, a reologia oscilatória foi usada para determinar G¿, G¿ e o tempo de relaxação em função da frequência. Apesar de G0 ser praticamente o mesmo, o tempo de relaxação parece ser sensível à composição de co-soluto, seguindo a seguinte ordem: fenol < OMCA < tosilato < OHCA ~ salicilato. Experimentos de calorimetria e espalhamento de luz também foram utilizados para corroborar com os experimentos de reologia / Abstract: The formation, stability and applications of worm-like micelles have been widely studied. These systems are very interesting because their rheological behavior is similar to the polymeric one. However, the worm-like micelles are supramolecular species maintained by non-covalent bonds, thus, upon high turbulence, they resist to mechanical degradation, besides, they promote the drag reduction due to Toms Effect. In this study, the formation and stability of worm like micelles formed by the combination of cationic surfactants and different aromatic compounds were systematically studied. The drag reduction was observed by measuring the torque applied to the solution to maintain the turbulence. The system temperature was then progressively enhanced, revealing the specific point in which the worm-like micelles are thermally destroyed. Based in such study it was possible to establish the order in terms of stability: orthohydroxycinnamic acid (OHCA) ~ salycilate > tosylate > orthomethoxycinnamic acid (OMCA) > phenol. For benzoate and methoxybenzoate, no worm-like micelles are observed. These results reveal some peculiar interactions between the head of the surfactant and the aromatic molecules. In more concentrated regime, chains of the wormlike micelles undergo entanglements, forming typical Maxwell gels. The oscillatory rheology was used to determine G¿, G¿ and the relaxation time as a function of the frequency. Although G0 is practically the same, the relaxation time is quite sensitive to the composition of the co-solute, following order: phenol < OMCA < tosylate < OHCA ~ salycilate. Calorimetric and light scattering experiments were carried out to corroborate the rheological experiments / Mestrado / Físico-Química / Mestre em Química

Orientador: Edvaldo Sabadini / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Química / Made available in DSpace on 2018-08-23T10:56:52Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Strauss_DarleneLuziaFelix_M.pdf: 3817957 bytes, checksum: 2557a153a7468c4a1f482e242b50bfea (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: É conhecido que surfactantes agregam-se através de interações hidrofóbicas, formando espontaneamente estruturas supramoleculares em solução aquosa. A formação destas macroestruturas pode alterar significativamente a viscoelasticidade da solução. Essas estruturas diferem dos polímeros por serem sistemas que estão num processo constante de quebra e recombinação numa escala finita de tempo que é dependente das propriedades físico-químicas dos sistemas. Foram estudados os efeitos do cisalhamento intenso de soluções aquosas de micelas gigantes formadas pela combinação de CTAB com salicilato de sódio em diferentes concentrações do co-soluto (NaSal). Os experimentos foram realizados em um reômetro, sendo que a estabilidade térmica das micelas gigantes foi avaliada usando a propriedade deste sistema supramolecular em produzir significativas reduções de atrito hidrodinâmico. Três temperaturas características foram observadas, T0, T1 e T2, que são atribuídas respectivamente à fusão de cadeias, ruptura dos pontos de fusão e quebra das micelas em menores fragmentos. A concentração de co-soluto afeta diretamente a estabilidade térmica das soluções, quanto maior a razão co-soluto/surfactante maior a temperatura de quebra das micelas (T2). Outro fator importante é a taxa de cisalhamento, pois até certo limite, quanto maior a taxa de cisalhamento maior a T2. Foi estudado também o comportamento de estruturas induzidas por cisalhamento (SIS), que é uma propriedade característica desses sistemas, utilizando o reômetro, em que se aplicou um cisalhamento intenso e depois se monitorou o comportamento de relaxação das estruturas formadas durante o cisalhamento. Para entender melhor este comportamento foi realizado um estudo cinético em função da temperatura para verificar a cinética de relaxação das mesmas às estruturas iniciais. A temperatura tem grande influência sobre a manutenção das estruturas induzidas por cisalhamento, pois quanto maior a temperatura aplicada ao sistema mais rápida e a volta à estrutura inicial. Assim, o Modelo de Arrhenius foi aplicado para determinar a energia de ativação de uma das etapas / Abstract: It is known that surfactants spontaneously self-assemble through hydrophobic interactions in aqueous solutions generating supramolecular structures. The formation of these macrostructures can modify significantly the solution viscoelasticity. These structures differ from polymers because these systems are in a constant break and recombination process in a limited time scale dependent of its physical-chemistry properties. The effects of intense shear on aqueous solution of wormlike micelles formed by CTAB and sodium salicylate combination in different co-solute (NaSal) concentrations were studied. The experiments were performed in a rheometer, where the thermal stability of worm-like micelles was evaluated applying drag reduction studies that is a particular property of this supramolecular system. Three characteristic temperatures are observed, T0, T1 e T2, that correspond respectively to the chains fusion, break of fusion points and micelles break into minor fragments. The co-solute concentration directly affects the solutions thermal stability, as higher the co-solute/surfactant ratio as higher the micelles break temperature (T2). Other important factor is the shear rate, until certain limit, the higher the shear rates the higher T2. The behavior of shear induced structures (SIS), that is a characteristic property of these systems, was also studied using the rheometer where an intense shear was applied and then the relaxation behavior of the formed structures was monitored under shear. For better understanding of this behavior, a kinetic study as a function of the temperature was accomplished to verify the relaxation kinetics of the SIS to the initial structures. The temperature has a critical influence under the maintenance of shear induced structures, because the higher the temperature applied at the system the faster the return to the initial structures. Thus, Arrhenius model was applied to determine the activation energy from one of the steps / Mestrado / Físico-Química / Mestra em Química

Orientadores: Edvaldo Sabadini, Marcelo G. de Oliveira / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Quimica / Made available in DSpace on 2018-08-04T14:22:34Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Alkschbirs_MelissaInger_D.pdf: 20703558 bytes, checksum: 093e76dc07818947b87478f9a799ad47 (MD5) Previous issue date: 2004 / Resumo: O efeito da redução de atrito hidrodinâmico em soluções poliméricas nas estruturas produzidas pelo impacto de gotas foi determinado por meio da análise de imagens obtidas utilizando uma câmera CCD e um programa de tratamento de imagens. O impacto de uma gota contra uma superficie líquida causa o fenômeno conhecido como splash, onde duas principais estruturas são formadas: a coroa e o jato Rayleigh. A altura máxima atingida pelo jato Rayleigh foi utilizada como parâmetro para determinar a redução de atrito hidrodinâmico, proporcionada pela presença de pequenas quantidades (ppm) de polímeros de elevada massa molar presentes em solução. A capacidade redutora de atrito hidrodinâmico do poli( óxido de etileno ), PEO, o mais eficiente agente redutor de atrito, foi estudada em função da qualidade do solvente, da temperatura, da concentração, da massa molar e da flexibilidade intrínsica da cadeia polimérica. As modificações decorrentes de alguns destes fatores sobre o raio de giração do polímero e, conseqüentemente sobre o tempo de relaxação e a viscosidade elongacional, são responsáveis pelas modificações morfológicas observadas no jato Rayleigh. Estudos temporais da evolução do splash também foram desenvolvidos, onde se procurou correlacionar a taxa de deformação do líquido com o tempo de relaxação da cadeia polimérica. O presente trabalho mostra, de forma inédita, que é possível utilizar o splash nos estudos sobre a redução de atrito hidrodinâmico / Abstract: The presence of very small amounts (ppm) of high-molecular weight polymers in a solution produces high levels of drag reduction in a turbulent flow. This phenomenon, termed as the Toms Effect, was studied using images of the impact of a small drop against shallows liquid surfaces, both liquids containing a drag reducer agent. After the impact a crown and a cavity are created and the collapse of these structures impels a liquid column, named as Rayleigh jet. This phenomenon is termed splash. The amplitude reached by the Rayleigh jet was used to estimate the energy of the drop stored in the liquid; therefore, the maximum height of the jet allow us to determine the percentage of drag reduction. The results were discussed in terms of different parameters such as polymer concentration, molecular weight in the poly(ethylene oxide), PEO, the most efficient drag reducer agent in aqueous system. The splash in aqueous polymeric solution is dominated by the elongational viscosity and therefore, the polymer relaxation time has an important role in the process. We consider that the main contribution of this work to the drag reduction field is the new approach proposed to investigate this old hydrodynamic phenomenon / Doutorado / Físico-Química / Doutor em Quimica

No desenho de mecanismos lubrificados, tais como Mancais hidrodinâmicos ou anéis de pistões de Motores a Combustão, atrito e desgaste são efeitos não desejados. Por exemplo, é sabido que aproximadamente 5% da energia perdida em um motor a combustão esta associada ao atrito presente no sistema de anéis/cilindro do pistão. Após vários trabalhos experimentais e teóricos, as superfícies texturizadas hão mostrado serem capazes de reduzir o atrito em algumas condições de funcionamento. O estudo da relação entre o atrito e os parâmetros de texturização é um problema difícil e de interesse tanto industrial como acadêmico. O contexto matemático e computacional destes trabalhos apresentam desafios por si mesmos, como o estudo da boa colocação dos modelos matemáticos, a consideração adequada das descontinuidades das superfícies. Este trabalho enfoca-se no contexto matemático, apresentando e estudando a equação de Reynolds junto com diferentes modelos de cavitação que podem encontrar-se na literatura. Começamos estudando a matemática da equação de Reynolds. Depois disso, modelos de cavitação são inclusos, aumentando a complexidade da matemática envolvida. Seguidamente, como aplicação da teoria apresentada, um rolamento deslizante será estudado junto com uma texturização da superfície móvel. Os resultados deste estudo revelam mecanismos básicos de redução de atrito e propriedades gerais que não haviam sido reportadas anteriormente. Possíveis trabalhos futuros são apresentados, tal como o uso de Métodos Descontínuos de Galerkin em vez dos Métodos de Volumes Finitos. O último em procura de uma melhor acomodação da formulação matemática, tentando melhorar a flexibilidade da malha e a precisão. / In the design of lubricated mechanisms, such as Journal Bearings or Piston Rings of Combustion Engines, friction and wear are undesirable effects. It is known, for instance, that about 5% of the energy loss in a Combustion Engine is associated to friction taking place in the Piston Rings/Cylinder system. Textured surfaces, after a significant number of experimental and theoretical studies, have shown to reduce friction in some operating conditions. The study of the relation between the friction and the texture parameters is a challenging problem with both industrial and academic interest. The mathematical and computational frameworks involved present challenges by themselves, such as establishing the well-posedness of the mathematical models with suitable consideration of discontinuous surfaces. In this work we focus on the mathematical framework, presenting and studying the Reynolds equation along with different state-of-the-art cavitation models. We begin by studying the Reynolds equation and then incorporate two different cavitation models of increasing mathematical complexity. Next, as an application of the theory already presented, a slider bearing is numerically studied considering a sinusoidal texture on the runner. The results of this study unveil basic mechanisms of friction reduction and global quantitative trends that had not been previously reported. In this way, the applicability of numerical tools for texture selection is established. Future research directions are also identified, such as using Discontinuous Galerkin methods instead of Finite Volume Methods, aiming at improving the mesh exibility and thus the accuracy of the discrete formulation.

No desenho de mecanismos lubrificados, tais como Mancais hidrodinâmicos ou anéis de pistões de Motores a Combustão, atrito e desgaste são efeitos não desejados. Por exemplo, é sabido que aproximadamente 5% da energia perdida em um motor a combustão esta associada ao atrito presente no sistema de anéis/cilindro do pistão. Após vários trabalhos experimentais e teóricos, as superfícies texturizadas hão mostrado serem capazes de reduzir o atrito em algumas condições de funcionamento. O estudo da relação entre o atrito e os parâmetros de texturização é um problema difícil e de interesse tanto industrial como acadêmico. O contexto matemático e computacional destes trabalhos apresentam desafios por si mesmos, como o estudo da boa colocação dos modelos matemáticos, a consideração adequada das descontinuidades das superfícies. Este trabalho enfoca-se no contexto matemático, apresentando e estudando a equação de Reynolds junto com diferentes modelos de cavitação que podem encontrar-se na literatura. Começamos estudando a matemática da equação de Reynolds. Depois disso, modelos de cavitação são inclusos, aumentando a complexidade da matemática envolvida. Seguidamente, como aplicação da teoria apresentada, um rolamento deslizante será estudado junto com uma texturização da superfície móvel. Os resultados deste estudo revelam mecanismos básicos de redução de atrito e propriedades gerais que não haviam sido reportadas anteriormente. Possíveis trabalhos futuros são apresentados, tal como o uso de Métodos Descontínuos de Galerkin em vez dos Métodos de Volumes Finitos. O último em procura de uma melhor acomodação da formulação matemática, tentando melhorar a flexibilidade da malha e a precisão. / In the design of lubricated mechanisms, such as Journal Bearings or Piston Rings of Combustion Engines, friction and wear are undesirable effects. It is known, for instance, that about 5% of the energy loss in a Combustion Engine is associated to friction taking place in the Piston Rings/Cylinder system. Textured surfaces, after a significant number of experimental and theoretical studies, have shown to reduce friction in some operating conditions. The study of the relation between the friction and the texture parameters is a challenging problem with both industrial and academic interest. The mathematical and computational frameworks involved present challenges by themselves, such as establishing the well-posedness of the mathematical models with suitable consideration of discontinuous surfaces. In this work we focus on the mathematical framework, presenting and studying the Reynolds equation along with different state-of-the-art cavitation models. We begin by studying the Reynolds equation and then incorporate two different cavitation models of increasing mathematical complexity. Next, as an application of the theory already presented, a slider bearing is numerically studied considering a sinusoidal texture on the runner. The results of this study unveil basic mechanisms of friction reduction and global quantitative trends that had not been previously reported. In this way, the applicability of numerical tools for texture selection is established. Future research directions are also identified, such as using Discontinuous Galerkin methods instead of Finite Volume Methods, aiming at improving the mesh exibility and thus the accuracy of the discrete formulation.

Orientadores: Edvaldo Sabadini, Rosângela Barros Zanoni Lopes Moreno / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Química / Made available in DSpace on 2018-08-25T12:17:08Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Rodrigues_RobertaKamei_D.pdf: 3168201 bytes, checksum: 311be9e2895bc6d972563662136638fa (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: O presente trabalho descreve o potencial das micelas gigantes como aditivos para facilitar operações de gravel-pack. O objetivo da operação de completação gravel-pack é obtenção de um filtro de areia ou cerâmica (gravel) capaz de conter areia da formação durante a produção de um poço de petróleo. As micelas gigantes podem ser utilizadas na fase de preenchimento do gravel-pack, com a finalidade de produzir um sistema capaz de reduzir as perdas de carga geradas pelo fluxo turbulento do fluido (por redução de atrito hidrodinâmico), melhorar a homogeneidade da distribuição de areia na dispersão e, consequentemente, viabilizar a operação em cenários de janela operacional estreita. O fênomeno de redução de atrito hidrodinâmico está relacionado com a menor energia requerida para o escoamento de líquidos em regime turbulento, quando certas macromoléculas estão dissolvidas. Estudos indicam que a redução de atrito hidrodinâmico pode estar diretamente relacionada à flexibilidade e ao tamanho de macromoléculas, que podem interagir com os vórtices e evitar a dissipação da energia. Soluções de alguns surfactantes, em determinadas condições, podem formar micelas alongadas (gigantes). O sistema resultante possui algumas características de soluções poliméricas, sendo capaz de produzir o mesmo efeito, sem, no entanto, sofrer degradação mecânica devido ao bombeamento ou cisalhamento prolongado. Foram desenvolvidos estudos fundamentais a partir de medidas reológicas, calorimétricas e de espalhamento dinâmico de luz para investigar a estabilidade térmica e mecânica de micelas gigantes formadas por surfactantes catiônicos e ânions aromáticos. Em seguida, foram avaliadas as melhores composições, nas quais se obtiveram significativos níveis de redução de atrito hidrodinâmico em condições de temperaturas de fundo de poço, em soluções de alta salinidade e usando-se micelas gigantes formadas por surfactantes comerciais. Os resultados desses estudos fundamentais foram utilizados para avaliar o desempenho das micelas gigantes em circuitos de escoamento. Também foi verificado o efeito da presença das micelas gigantes no arraste do grão de areia, em condições próximas às das operações de gravel-pack / Abstract: This thesis describes the potential of wormlike micelles as additives to improve gravel-pack operations. The aim of the completion operation of grave-pack is to create a sand or ceramic filter able to contain the sand formation during the gravel-pack operation in order to produce a system capable of reducing friction losses on a fluid in turbulent flow (by drag reduction), to improve the homogeneity of the distribution of sand dispersion and thus facilitate the operation in case of narrow window scenarios. The phenomenon of drag reduction is related to the lower energy required for liquid transports in turbulent flow when certain macromolecules are dissolved. Studies indicate that drag reduction can be directly related to the flexibility and size of the macromolecules, which can interact with the vortices and prevent dissipation of energy. Solutions of some surfactants, under certain conditions, can form long micelles (wormlike micelles). The resulting system has some characteristics of polymer solutions, being able to produce the same effect, however without suffering degradation due to pumping or high shear. Fundamental studies were conducted using rheological, calorimetric and dynamic light scattering measurements in order to investigate the thermal and mechanical stability of wormlike micelles formed by cationic surfactants and aromatic anions. Then, the best compositions were evaluated, which were obtained significant levels of drag reduction under bottom hole temperature, in solutions of high salinity and using wormlike micelles formed by commercial surfactants. The results of these fundamental studies were used to evaluate the performance of wormlike micelles in flow loops. We also checked the effect of the presence / Doutorado / Físico-Química / Doutora em Ciências

O interesse em escoamento bifásico líquido-líquido aumentou recentemente, em especial devido às grandes perdas de energia envolvidas no transporte de petróleo, onde comumente uma mistura bifásica óleo-água é deslocada ao longo de grandes distancias. Embora este tipo de escoamento seja comum na indústria, não existem tantos trabalhos na literatura quanto os relacionados ao escoamento gás-líquido. Alguns estudos sobre escoamentos óleo-água reportam uma redução de atrito em dispersões e emulsões em regime turbulento sem adição de qualquer tipo de substancia química, mas a física por trás do fenômeno ainda não é bem compreendida. Neste trabalho, foi estudado o padrão de escoamento disperso óleo-água em tubulação horizontal, visando a obtenção de novos dados experimentais e um melhor entendimento do fenômeno de redução de atrito. Uma série de parâmetros considerados importantes para a caracterização do escoamento foi investigada: queda de pressão, fração volumétrica e sub-padrões de escoamento disperso. Apresentam-se dados de distribuição das fases e fração volumétrica in situ, obtidos através de um moderno sensor intrusivo, do tipo wire-mesh, baseado em medidas de capacitância (permissividade). Câmera de alta velocidade e técnica das válvulas de fechamento rápido foram utilizadas para validar os sinais do sensor. Um modelo prospectivo simplificado foi desenvolvido como uma tentativa de explicar a ocorrência do fenômeno de redução de atrito no padrão disperso óleo-água estudado. O modelo sugere que a presença de uma fina película de água rente a parede hidrofílica/oleofóbica do tubo poderia explicar a diminuição no gradiente de pressão bifásico observada. / The interest in two-phase liquid-liquid flow has increased recently mainly due to the petroleum industry where oil and water are often produced and transported together for long distances and the significant frictional pressure gradient involved. Liquid-liquid flows are present in a wide range of industrial processes; however, they have not been studied as intensively as gas-liquid flows. Drag reduction phenomenon in oil-water flows without the addition of any drag reduction agent has been detected in previous works, but the physics behind the phenomenon is yet not well understood. The aim of the research was to study the dispersed oil-water flow pattern in a horizontal pipe in order to better understand the phenomenon and the obtaining of new experimental data of oil-water dispersed flows. Important issues related to oil-water pipe flow were investigated: pressure drop, volume fraction and flow patterns. Phase distribution and holdup data were obtained by a new wire-mesh sensor based on capacitance (permittivity) measurements. A high-speed video camera and the Quick-Closing-Valves technique were used to compare and validate the signals of the wire-mesh sensor. A simplified mathematical model was proposed to explain the drag reduction phenomenon in the oil-water dispersed flow studied. The model suggests that the presence of a thin water film between the homogenously dispersed flow and the pipe wall could explain the observed decreases of the two-phase pressure gradient.