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Orientadores: Antonio Carlos Bannwart, Vanessa Cristina Bizotto Guersoni / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica e Instituto de Geociências / Made available in DSpace on 2018-08-27T08:44:42Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Geest_CharlieVanDer_M.pdf: 5712468 bytes, checksum: 765eb52c38dad02a122dbc8c5387f363 (MD5) Previous issue date: 2015 / Resumo: Os procedimentos de manutenção de equipamentos ou desligamento de emergência de uma unidade estacionária de produção de petróleo no mar ocorrem com freqüência na produção de petróleo. No caso de produção de petróleo parafínico escoando em uma linha de produção no fundo do mar, onde a temperatura é em torno de 4 ° C, a perda de calor podel conduzir o óleo a TIAC (Temperatura Inicial de Aparecimento de Cristais) do óleo. Isso leva à cristalização de parafinas. Dependendo do tempo que o óleo permaneça estático, neste ambiênte, perdendo calor, é possivel que se forme uma estrutura parafínica que bloqueie completamente a linha de produção. Linhas de produção com óleos parafínicos são um problema grave para a garantia de escoamento. É importante saber a pressão mínima necessária para reiniciar o escoamento para projetar as instalações de bombas na superfície. Óleos parafínicos são fluidos complexos e tem sido estudados há muito tempo. O comportamento reológico é um dos principais fatores que aumenta a complexidade do problema, no entando, para se prever o comportamento do óleo, o estudo de outros fenomênos é necessários, tais como compressibilidade e encolhimento térmico. Estudos experimentais foram feitos para estudar a reologia, compressibilidade e o encolhimento térmico, individualmente, em um reômetro Hakke Mars 3 e em uma celula PVT. Depois de todos os parâmetros estudados individualmente uma linha em escala reduzida foi construída para estudar o comportamento do óleo numa tubulação com a influência de todos os fenômenos físicos juntos. Todos os experimentos foram realizados com dois óleos reais parafínicos para melhor generalizar os resultados. O óleo apresenta o comportamento reológico denominado tixotrópia. Tixotropia é um fenômeno complexo e não é completamente compreendido pela comunidade científica, e foi definida pelo Dicionário de física de Oxford: "Certos materiais se comportam como sólidos sob pequenas tensões aplicadas, mas sob tensões maiores se tornam líquidos. Quando as tensões são removidas do material este volta para sua consistência inicial. Esta propriedade é particularmente associada com determinadas colóides que formam géis quando deixados em repouso, mas que se tornam líquidos quando mexido ou agitado, devido a uma redistribuição da fase sólida ". Neste estudo, o obetivo era simular o comportamento de dois óleos comerciais parafínico diferentes, com base nos resultados experimentais. A partir da revisão da literatura, o modelo de de Souza Mendez and Thompson (2013) foi selecionado para a reologia. O modelo não foi capaz de prever os dados perfeitamente, então, uma alteração foi feita para melhorar suas previsões, sem alterar o significado físico das equações. A abordagem matemática da linha foi feita com base no balanço de massa e quantidade de movimento, para simular os resultados da linha de produção foi feito um algoritmo baseado no método númerico das diferenças finitas. Um dos principais objetivos deste trabalho era simular a linha, baseado nas equações de conservação de massa e movimento, implementando o modelo elastico viscoplástico tixotrópico. Porém, como os resultados experimentais não mostraram um resultado onde a reologia era realmente relevante, a fase final do algoritmo considerou somente um fluido newtoniano fracamente compressível / Abstract: The Procedure of shutdown of an oil production unit for equipment maintenance or emergency occurs with high frequency during its operational lifetime. In the case of waxy crude oil production, when, the crude stays at the bottom of the sea at 4°C, the loss of heat leads to the WAT (Wax Appearance Temperature) of the oil, which leads to the crystallization of wax. If the oil stays static for sufficient time, it might form a structure that completely blocks the pipeline. Flow lines filled with gelled waxy crudes oil is a severe problem to flow assurance. It is important to know the minimum pressure necessary to restart the subsea flowline to design the surface pump facilities. Gelled waxy crudes are complex fluids and have been studied for a long time. One of the main factors that explain the complexity of the problems is the rheological behavior, though, in order to predict the minimum pressure, others physical parameters are required, such as compressibility and shrinkage. An experimental study was done with a rheometer to study the rheology, then, with the PVT cell to study the compressibility and the shrinkage. These parameters were studied individually and afterwards an apparatus was built to study the behavior of the oil in a pipeline were their influence were evalueted. All the experiments were performed with two waxy crudes oils to better generalize the results. The oil has a temporal rheological behavior defined as thixotropic. Thixotropy is a complex flow phenomenon and is not completely understood by the scientific community, and was defined by the Oxford Encyclopedic Dictionary of Physics as: "Certain materials behave as solids under very small applied stresses but under greater stresses become liquids. When the stresses are removed the material settles back into its original consistency. This property is particularly associated with certain colloids which form gels when left to stand but which become sols when stirred or shaken, due to a redistribution of the solid phase." In this study, the idea was to simulate the behavior of two different commercial waxy crude oils, based on the experimental results. From the literature survey, the model of Souza-Mendez-Thompson (2013) was chosen to evaluate the rheological behavior. The model was not able to predict the data perfectly, then, a modification was made to improve its predictions without changing the physical meaning of the equations. A mathematical approach was done based on mass and momentum balance to simulate the results of the pipeline with a difference finite method. The main goals of this study was to simulate the pipeline with an elasto viscoplastic thixotropic model within the algorithm based on mass and momentum equations. But, as the experimental results were showing that the rheological behavior was not a relevant phenomena in the restart process, the final phase of the algorithm was reconsider, since did not apply for our experimental data. The results considering the oil as a Newtonian fluid with high viscosity had good accuracy / Mestrado / Explotação / Mestre em Ciências e Engenharia de Petróleo

[pt] O escoamento de gás em fluidos complexos é um fenômeno presente em industrias como alimentos e bebidas, farmacêutica, química e petróleo e gás. Nesta pesquisa foi abordado o fenômeno de invasão de gás em pastas de cimento durante o processo de cimentação de poços de petróleo. Este problema é governado por diferentes parâmetros como tamanho, geometria e velocidade das bolhas, reologia do fluido, histórico de cisalhamento do material, pressão e vazão de injeção. Neste trabalho estuda-se experimentalmente a dinâmica de uma bolha de ar não esférica em regime de Stokes ou laminar, escoando em materiais que simulam pastas de cimento com diferentes níveis de viscosidade. As pastas de cimento e suas propriedades viscoplásticas e tixotrópicas são reproduzidas usando suspensões de Carbopol e Laponita, respectivamente. Apresenta-se também um modelo matemático simplificado para a dinâmica do fenômeno de migração de gás, com aplicação na indústria do petróleo. No estudo com Carbopo, investiga-se o efeito da tensão limite de escoamento e a relação entre forças viscosas e inerciais, e sua influência na dinâmica e na geometria da bolha de gás. A análise com Laponita visa simular o processo de invasão e migração de gás durante o processo de cura do cimento. O efeito da tixotropia no formato e na dinâmica de migração das bolhas é analisado. Estes resultados simulam também a complexa dinâmica da migração de gás em fluidos com reologia dependente do tempo, como as pastas de cimento ao longo de seu processo de cura. Observou-se a formação de bolhas de gás com geometria plana, que permitem o escoamento com baixa resistência e formam caminhos preferenciais, que podem se tornar canais de escoamento de gás a alta vazão. / [en] The gas flow in complex fluids is a phenomenon present in industries such as foods and beverage, pharmaceuticals, chemistry and oil and gas. In this research the phenomenon of gas invasion in cement pastes during the cementation process of wells of petroleum was analyzed. This problem is governed by different parameters such as bubble size, geometry and velocity, fluid rheology, material shear history, injection pressure and flow rate. In this work, we perform an experimental study of the dynamics of a non-spherical air bubble under a Stokes or laminar regime, flowing in materials that simulate cement pastes with different levels of viscosity. Cement pastes and their viscoplastic and thixotropic properties are reproduced using suspensions of Carbopol and Laponite, respectively. A simplified mathematical model for the dynamics of the phenomenon of gas migration, with application in the petroleum industry, is also presented. In the Carbopol study, the effect of the yield stress and the relationship between viscous and inertial forces and their influence on the dynamics and geometry of the gas bubble is investigated. The analysis with Laponite aims to simulate the process of invasion and gas migration during the cement cure process. The effect of thixotropy on the shape and dynamics of bubble migration is analyzed. These results also simulate the complex dynamics of gas migration in fluids with time dependent rheology, such as cement pastes during their curing process. The formation of gas bubbles with flat geometry has been observed, allowing the gas to flow with lower resistance and to form preferred paths that can become channels with high gas flow rates.

O estudo do comportamento reológico de fluidos não Newtonianos tem grande importância em diversas áreas da engenharia. O aumento na demanda destes fluidos por exemplo, no uso doméstico, pessoal e em processos químicos acarreta em dificuldades que vão desde o processo de sua mistura ao seu manuseio. Dentre os fluidos não Newtonianos estão os viscoelásticos, os quais exibem deformação aparente quando os níveis de tensões são inferiores ao limite de escoamento do material e, dentro desta classe, alguns ainda podem apresentam comportamento elástico quando submetidos à baixa taxa de cisalhamento. Juntamente com os efeitos elasto-viscoplásticos, os materiais podem apresentar comportamento tixotrópico, onde devido as tensões sua reestruturação não é instantânea. Na presente Tese, fez-se um estudo numérico a fim de analisar o problema especifico de escoamentos de fluidos elasto-viscoplásticos com comportamento tixotrópico em uma expansão planar abrupta na razão de aspecto 4 : 1. O modelo mecânico aplicado consiste de uma equação viscoelástica para o campo de tensões, uma evolutiva para o parâmetro de estrutura do material, bem como as equações de conservação de massa e momento. O modelo mecânico aplicado mostrou-se capaz de prever o comportamento tixotrópico. A aproximação numérica do modelo aplicado foi feita através do método estabilizado de elementos finitos, especificamente o método Galerkin Mínimos-Quadrados (GLS), o qual foi implementado no código de elementos finitos para fluidos não Newtonianos em desenvolvimento no Laboratório de Mecânica dos Fluidos Aplicada e Computacional (LAMAC) da Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Os fenômenos reológicos presentes no problema foram analisados a partir da influência da cinemática do escoamento, da elasticidade e da tixotropia, no nível de estruturação do material, na posição e tamanho das regiões não escoadas e na deformação elástica do material. Os resultados mostraram-se satisfatórios, pois condizem com os apresentados na literatura, apontando a boa predição do modelo mecânico aplicado bem como a robustez de sua implementação computacional. / The rheological behavior of non-Newtonian uids study is of great then importance in many areas of engineering. The increase in demand of these uids - for example, domestic use, personal and processes chemical - causes di culties ranging from the process of mixing it to handling. Among the non-Newtonian uids are viscoelastic, which exhibit apparent deformation when stress levels are lower than the yield limit of the material and, within this class, some still have elastic behavior when subjected to low shear rates. Together with the elastic-viscoplastic e ects, materials may exhibit thixotropic behavior, ie, due the restructuring strain is not instantaneous. In this thesis was made a numerical study to simulate the speci c problem of ow of elastic-viscoplastic uids with thixotropic behavior in abrupt planar expansion { common geometry in industrial systems associated with elastic-viscoplastic uids, whose ratio the aspect is 4:1. The mechanical behavior of most of these structured materials, are highly non-Newtonian, with this, there is need to make them more pseudoplastic, causing undesirable behaviors such as thixotropic which is a phenomenon somewhat characterized and modeled in the literature. The mechanical model applied is able to predict thixotropic behavior and is composed of a viscoelastic equation for the stress eld and an evolutionary to the material structure parameter in addition to the mass and momentum conservation equations. This mechanical model is approximated by a stabilized nite element model, called the Galerkin method of least squares (GLS). In order to study the rheological phenomena present in the problem is analyzed the in uence of the ow kinematics, elasticity and thixotropy in the level of structure of the material, in position and size of unyielded regions and the elastic deformation of the material. The results were satisfactory, since the the study of intensity the U the results agree with those reported in the literature pointing to good prediction of the mechanical model applied well as the hardiness of their computational implementation.The results of the elasticity showed quite spectacular behavior of unyielded regions of the material since for high values of relaxation time, the unyielded region of channel larger has the form of " ngers"because of the high exibility of the material along the line of symmetry of the channel. The results of the analysis of the elastic deformation show, that model correctly dosing the elasticity in the unyielded regions. The thixotropic e ects reported a slower structuring of the material with increasing characteristic time, in response to strain change caused by the expansion, results indicate that for high values of relaxation time, higher the distance between the unyielded regions of smaller channel and larger.

O estudo do comportamento reológico de fluidos não Newtonianos tem grande importância em diversas áreas da engenharia. O aumento na demanda destes fluidos por exemplo, no uso doméstico, pessoal e em processos químicos acarreta em dificuldades que vão desde o processo de sua mistura ao seu manuseio. Dentre os fluidos não Newtonianos estão os viscoelásticos, os quais exibem deformação aparente quando os níveis de tensões são inferiores ao limite de escoamento do material e, dentro desta classe, alguns ainda podem apresentam comportamento elástico quando submetidos à baixa taxa de cisalhamento. Juntamente com os efeitos elasto-viscoplásticos, os materiais podem apresentar comportamento tixotrópico, onde devido as tensões sua reestruturação não é instantânea. Na presente Tese, fez-se um estudo numérico a fim de analisar o problema especifico de escoamentos de fluidos elasto-viscoplásticos com comportamento tixotrópico em uma expansão planar abrupta na razão de aspecto 4 : 1. O modelo mecânico aplicado consiste de uma equação viscoelástica para o campo de tensões, uma evolutiva para o parâmetro de estrutura do material, bem como as equações de conservação de massa e momento. O modelo mecânico aplicado mostrou-se capaz de prever o comportamento tixotrópico. A aproximação numérica do modelo aplicado foi feita através do método estabilizado de elementos finitos, especificamente o método Galerkin Mínimos-Quadrados (GLS), o qual foi implementado no código de elementos finitos para fluidos não Newtonianos em desenvolvimento no Laboratório de Mecânica dos Fluidos Aplicada e Computacional (LAMAC) da Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Os fenômenos reológicos presentes no problema foram analisados a partir da influência da cinemática do escoamento, da elasticidade e da tixotropia, no nível de estruturação do material, na posição e tamanho das regiões não escoadas e na deformação elástica do material. Os resultados mostraram-se satisfatórios, pois condizem com os apresentados na literatura, apontando a boa predição do modelo mecânico aplicado bem como a robustez de sua implementação computacional. / The rheological behavior of non-Newtonian uids study is of great then importance in many areas of engineering. The increase in demand of these uids - for example, domestic use, personal and processes chemical - causes di culties ranging from the process of mixing it to handling. Among the non-Newtonian uids are viscoelastic, which exhibit apparent deformation when stress levels are lower than the yield limit of the material and, within this class, some still have elastic behavior when subjected to low shear rates. Together with the elastic-viscoplastic e ects, materials may exhibit thixotropic behavior, ie, due the restructuring strain is not instantaneous. In this thesis was made a numerical study to simulate the speci c problem of ow of elastic-viscoplastic uids with thixotropic behavior in abrupt planar expansion { common geometry in industrial systems associated with elastic-viscoplastic uids, whose ratio the aspect is 4:1. The mechanical behavior of most of these structured materials, are highly non-Newtonian, with this, there is need to make them more pseudoplastic, causing undesirable behaviors such as thixotropic which is a phenomenon somewhat characterized and modeled in the literature. The mechanical model applied is able to predict thixotropic behavior and is composed of a viscoelastic equation for the stress eld and an evolutionary to the material structure parameter in addition to the mass and momentum conservation equations. This mechanical model is approximated by a stabilized nite element model, called the Galerkin method of least squares (GLS). In order to study the rheological phenomena present in the problem is analyzed the in uence of the ow kinematics, elasticity and thixotropy in the level of structure of the material, in position and size of unyielded regions and the elastic deformation of the material. The results were satisfactory, since the the study of intensity the U the results agree with those reported in the literature pointing to good prediction of the mechanical model applied well as the hardiness of their computational implementation.The results of the elasticity showed quite spectacular behavior of unyielded regions of the material since for high values of relaxation time, the unyielded region of channel larger has the form of " ngers"because of the high exibility of the material along the line of symmetry of the channel. The results of the analysis of the elastic deformation show, that model correctly dosing the elasticity in the unyielded regions. The thixotropic e ects reported a slower structuring of the material with increasing characteristic time, in response to strain change caused by the expansion, results indicate that for high values of relaxation time, higher the distance between the unyielded regions of smaller channel and larger.

O estudo do comportamento reológico de fluidos não Newtonianos tem grande importância em diversas áreas da engenharia. O aumento na demanda destes fluidos por exemplo, no uso doméstico, pessoal e em processos químicos acarreta em dificuldades que vão desde o processo de sua mistura ao seu manuseio. Dentre os fluidos não Newtonianos estão os viscoelásticos, os quais exibem deformação aparente quando os níveis de tensões são inferiores ao limite de escoamento do material e, dentro desta classe, alguns ainda podem apresentam comportamento elástico quando submetidos à baixa taxa de cisalhamento. Juntamente com os efeitos elasto-viscoplásticos, os materiais podem apresentar comportamento tixotrópico, onde devido as tensões sua reestruturação não é instantânea. Na presente Tese, fez-se um estudo numérico a fim de analisar o problema especifico de escoamentos de fluidos elasto-viscoplásticos com comportamento tixotrópico em uma expansão planar abrupta na razão de aspecto 4 : 1. O modelo mecânico aplicado consiste de uma equação viscoelástica para o campo de tensões, uma evolutiva para o parâmetro de estrutura do material, bem como as equações de conservação de massa e momento. O modelo mecânico aplicado mostrou-se capaz de prever o comportamento tixotrópico. A aproximação numérica do modelo aplicado foi feita através do método estabilizado de elementos finitos, especificamente o método Galerkin Mínimos-Quadrados (GLS), o qual foi implementado no código de elementos finitos para fluidos não Newtonianos em desenvolvimento no Laboratório de Mecânica dos Fluidos Aplicada e Computacional (LAMAC) da Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Os fenômenos reológicos presentes no problema foram analisados a partir da influência da cinemática do escoamento, da elasticidade e da tixotropia, no nível de estruturação do material, na posição e tamanho das regiões não escoadas e na deformação elástica do material. Os resultados mostraram-se satisfatórios, pois condizem com os apresentados na literatura, apontando a boa predição do modelo mecânico aplicado bem como a robustez de sua implementação computacional. / The rheological behavior of non-Newtonian uids study is of great then importance in many areas of engineering. The increase in demand of these uids - for example, domestic use, personal and processes chemical - causes di culties ranging from the process of mixing it to handling. Among the non-Newtonian uids are viscoelastic, which exhibit apparent deformation when stress levels are lower than the yield limit of the material and, within this class, some still have elastic behavior when subjected to low shear rates. Together with the elastic-viscoplastic e ects, materials may exhibit thixotropic behavior, ie, due the restructuring strain is not instantaneous. In this thesis was made a numerical study to simulate the speci c problem of ow of elastic-viscoplastic uids with thixotropic behavior in abrupt planar expansion { common geometry in industrial systems associated with elastic-viscoplastic uids, whose ratio the aspect is 4:1. The mechanical behavior of most of these structured materials, are highly non-Newtonian, with this, there is need to make them more pseudoplastic, causing undesirable behaviors such as thixotropic which is a phenomenon somewhat characterized and modeled in the literature. The mechanical model applied is able to predict thixotropic behavior and is composed of a viscoelastic equation for the stress eld and an evolutionary to the material structure parameter in addition to the mass and momentum conservation equations. This mechanical model is approximated by a stabilized nite element model, called the Galerkin method of least squares (GLS). In order to study the rheological phenomena present in the problem is analyzed the in uence of the ow kinematics, elasticity and thixotropy in the level of structure of the material, in position and size of unyielded regions and the elastic deformation of the material. The results were satisfactory, since the the study of intensity the U the results agree with those reported in the literature pointing to good prediction of the mechanical model applied well as the hardiness of their computational implementation.The results of the elasticity showed quite spectacular behavior of unyielded regions of the material since for high values of relaxation time, the unyielded region of channel larger has the form of " ngers"because of the high exibility of the material along the line of symmetry of the channel. The results of the analysis of the elastic deformation show, that model correctly dosing the elasticity in the unyielded regions. The thixotropic e ects reported a slower structuring of the material with increasing characteristic time, in response to strain change caused by the expansion, results indicate that for high values of relaxation time, higher the distance between the unyielded regions of smaller channel and larger.

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Neste trabalho é apresentado a modelagem mecânica e numérica de um escoamento elastoviscoplástico tixotrópico, em termos dos campos de velocidade, pressão, tensão e parâmetro de estrutura. A discretização numérica é feita pelo Método de Elementos Finitos Estabilizado, também conhecido como Galerkin Mínimos Quadrados (GMQ), através de elementos quadrangulares bilineares. O clássico problema da cavidade é utilizado nas simulações, a fim de comparar a formulação e o código utilizados com os resultados conhecidos na literatura. Além disso, apresenta-se o estudo de materiais elasto-viscoplástico tixotrópico em uma contração abrupta na escala 4:1, utilizando a formulação descrita e uma nova função viscosidade para fluidos viscoplásticos, denominada função Viscoplástica Harmônica (VPH). Resultados envolvendo a função VPH são introduzidos e discutidos pela primeira vez nesta tese e apresenta um ótimo ajuste de curva, quando comparada com outras funções disponíveis na literatura. Além da fácil implementação, essa função também apresenta um platô para as altas e baixas viscosidades que são fisicamente realistas, visto que não é possível uma viscosidade infinita ou nula. O menor tempo computacional é também uma característica perceptível nas simulações usando a nova função viscoplástica, isso é um atributo do seu equacionamento que não depende de um termo exponencial, como outros modelos. O estudo de qualidade de malha também é apresentado a fim de garantir a escolha do domínio discreto adequado. Apesar do uso de elementos de ordem inferior, o método GMQ mostrou-se estável na aproximação numérica de todos os problemas dispostos, garantindo até mesmo a análise sobre os efeitos da cinemática, da elasticidade e da tixotropia no escoamento dos fluidos dentro da contração abrupta. / In this work the mechanical and numerical modeling of a thixotropic elasto-viscoplastic flow in terms of the velocity, pressure, stress and structure parameter is presented. Numerical discretization is done by the Stabilized Finite Element Method, also known as Galerkin Least Squares (GLS), through bilinear quadrangular elements. The classical liddriven cavity problem is used in the simulations in order to compare the formulation and code used with the results in the literature. In addition, the study of elasto-viscoplastic thixotropic materials in a 4:1 abrupt contraction using the described formulation and a new viscosity function for viscoplastic fluids, called the Harmonic Viscoplastic Function (HVP), is presented. Results involving the HVP function are introduced and discussed for the first time in this thesis and present a better curve fit when compared to other functions available in the literature. Besides to easy implementation, this function also features a plateau for high and low viscosities that are physically realistic, since infinite or zero viscosity is not possible. The shortest computational time is also a perceptible feature in the simulations using the new viscoplastic function, this is an attribute of its equation that does not depend on an exponential term like other models. The mesh quality study is also presented in order to ensure the choice of the appropriate discrete domain. Despite the use of lower-order elements, the GLS method proved to be stable in the numerical approximation of all the problems, guaranteeing even the analysis of the effects of kinematics, elasticity and thixotropy on fluid flow within the abrupt contraction.

Neste trabalho é apresentado a modelagem mecânica e numérica de um escoamento elastoviscoplástico tixotrópico, em termos dos campos de velocidade, pressão, tensão e parâmetro de estrutura. A discretização numérica é feita pelo Método de Elementos Finitos Estabilizado, também conhecido como Galerkin Mínimos Quadrados (GMQ), através de elementos quadrangulares bilineares. O clássico problema da cavidade é utilizado nas simulações, a fim de comparar a formulação e o código utilizados com os resultados conhecidos na literatura. Além disso, apresenta-se o estudo de materiais elasto-viscoplástico tixotrópico em uma contração abrupta na escala 4:1, utilizando a formulação descrita e uma nova função viscosidade para fluidos viscoplásticos, denominada função Viscoplástica Harmônica (VPH). Resultados envolvendo a função VPH são introduzidos e discutidos pela primeira vez nesta tese e apresenta um ótimo ajuste de curva, quando comparada com outras funções disponíveis na literatura. Além da fácil implementação, essa função também apresenta um platô para as altas e baixas viscosidades que são fisicamente realistas, visto que não é possível uma viscosidade infinita ou nula. O menor tempo computacional é também uma característica perceptível nas simulações usando a nova função viscoplástica, isso é um atributo do seu equacionamento que não depende de um termo exponencial, como outros modelos. O estudo de qualidade de malha também é apresentado a fim de garantir a escolha do domínio discreto adequado. Apesar do uso de elementos de ordem inferior, o método GMQ mostrou-se estável na aproximação numérica de todos os problemas dispostos, garantindo até mesmo a análise sobre os efeitos da cinemática, da elasticidade e da tixotropia no escoamento dos fluidos dentro da contração abrupta. / In this work the mechanical and numerical modeling of a thixotropic elasto-viscoplastic flow in terms of the velocity, pressure, stress and structure parameter is presented. Numerical discretization is done by the Stabilized Finite Element Method, also known as Galerkin Least Squares (GLS), through bilinear quadrangular elements. The classical liddriven cavity problem is used in the simulations in order to compare the formulation and code used with the results in the literature. In addition, the study of elasto-viscoplastic thixotropic materials in a 4:1 abrupt contraction using the described formulation and a new viscosity function for viscoplastic fluids, called the Harmonic Viscoplastic Function (HVP), is presented. Results involving the HVP function are introduced and discussed for the first time in this thesis and present a better curve fit when compared to other functions available in the literature. Besides to easy implementation, this function also features a plateau for high and low viscosities that are physically realistic, since infinite or zero viscosity is not possible. The shortest computational time is also a perceptible feature in the simulations using the new viscoplastic function, this is an attribute of its equation that does not depend on an exponential term like other models. The mesh quality study is also presented in order to ensure the choice of the appropriate discrete domain. Despite the use of lower-order elements, the GLS method proved to be stable in the numerical approximation of all the problems, guaranteeing even the analysis of the effects of kinematics, elasticity and thixotropy on fluid flow within the abrupt contraction.

Made available in DSpace on 2016-03-15T19:36:46Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Artur Campillos Marfinati.pdf: 2026272 bytes, checksum: 746c537dc29271821923332464cf82a6 (MD5) Previous issue date: 2014-10-10 / The Plastisol is a fluid bulk based on PVC, mineral fillers, plasticizers, stabilizers and depending of its final application, a pigment and resins for adhesion providing. It can be produced by using two different types of mixers: The sigma and the cowles. This work studied what was the best mixer for producing the Plastisol and also evaluated the adhesion, viscosity and thixotropic properties gotten using these two producing processes. For a better understanding of adhesion, viscosity and thixotropic phenomenon, it was produced in the laboratory four different samples, each one with different producing process. It was prepared specimens of Plastisol for each producing process used, where the tensile strength was measured in a dynamometer for taking the force intensity and a rheometer for viscosity and thixotropic studies. This way was possible to evaluate what was the best producing process adopted. / O Plastisol é uma pasta fluida composta por resinas de PVC, cargas minerais, plastificantes, estabilizantes e dependendo da aplicação final, pigmentos e uma resina que promova adesão. Ele pode ser produzido a partir da utilização de dois tipos de homogeneizadores: sigma e cowles. Neste trabalho estudou-se qual é o melhor tipo de homogeneizador para a produção do Plastisol e avaliou as propriedades de aderência, viscosidade e tixotropia obtida com a utilização desses dois processos. Para melhor observar o fenômeno da aderência, viscosidade e tixotropia, foram produzidas em laboratório quatro amostras em situações processuais diferentes. Foram confeccionados corpos-de-prova para cada tipo de processo utilizado, aos quais se aplicaram o teste de tensão de cisalhamento em um dinamômetro obtendo os valores da intensidade da força e um reômetro para o estudo de viscosidade e tixotropia determinando desta forma qual foi o melhor processo utilizado.