Submitted by Fabio Sobreira Campos da Costa (fabio.sobreira@ufpe.br) on 2015-05-08T14:05:16Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) 1 Dissertação - João Vitor Nogueir.pdf: 7740367 bytes, checksum: e311056ecafb8741fc3538682907dcc1 (MD5) / Made available in DSpace on 2015-05-08T14:05:16Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) 1 Dissertação - João Vitor Nogueir.pdf: 7740367 bytes, checksum: e311056ecafb8741fc3538682907dcc1 (MD5) Previous issue date: 2014-01-30 / A instabilidade de Saffman-Taylor se dá na interface entre dois fluidos viscosos no interior de uma célula de Hele-Shaw (CHS). A CHS é um aparato experimental que consiste em duas placas, usualmente planas e paralelas, separadas por uma distância muito pequena. Sabe-se que quando um fluido viscoso desloca outro mais viscoso, em uma CHS, a interface entre eles se torna instável e estruturas chamadas de “dedos viscosos” surgem. Em função da geometria da CHS e da força motriz do fluxo, tais dedos podem bifurcar, afinar, competir em tamanho e interferirem uns com os outros, formando as mais diversas estruturas morfológicas. Estudos com fluidos newtonianos em CHS vêm sendo feitos desde o final do século XIX. No entanto, apenas recentemente, a cerca de trinta anos, estudos com fluidos não newtonianos em CHS vêm sendo conduzidos, e em sua maioria estudos analíticos lineares ou não lineares puramente numéricos. Este trabalho tenta preencher essa lacuna com um estudo analítico não linear de fluidos não newtonianos em CHS. Estudamos a CHS de geometria radial com levantamento da placa superior e injeção como forças motrizes do fluxo. Nestes casos estudamos o fluido yield stress, um tipo especial de fluido não newtoniano que se comporta como um “semissólido”. Estudamos também o fluido power-law que introduz, na viscosidade, uma dependência do fluxo. Em cada caso fomos capazes de estabelecer conexões entre as nossas previsões teóricas e os experimentos e simulações encontrados na literatura. Tais previsões são acerca da estabilidade e morfologia da interface como: bifurcação de dedos, a estrutura conhecida como side branching e a competição entre dedos.

The dynamics of A + B → C reaction fronts is studied under modulated gravitational acceleration by means of a combination of parabolic flight experiments and numerical simulations. During modulated gravity the front position undergoes periodic modulation with an accelerated front propagation under hyper-gravity together with a slowing down under low gravity. The underlying reason for this is an amplification and a decay, respectively, of the buoyancy-driven double vortex associated with the front propagation under standard gravitational acceleration, as explained by reaction–diffusion–convection simulations of convection around an A + B → C front. Deeper insights into the correlation between grey-value changes in the experimental shadowgraph images and characteristic changes in the concentration profiles are obtained by a numerical simulation of the imaging process. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Integrated theoretical and experimental analysis is carried out in this work to investigate the fundamental failure mechanisms and flow patterns involved in the process of fluid injection into dense granular media. The experimental work is conducted with aqueous glycerin solutions, utilizing a novel setup based on a Hele-Shaw cell filled with dense dry sand. The two dimensional nature of the setup allows direct visualization and imaging analysis of the real-time fluid and grain kinematics. The experimental results reveal that the fluid flow patterns show a transition from simple radial flow to a ramified morphology while the granular media behaviors change from that of rigid porous media to localized failure that lead to development of fluid channels. Based on the failure/flow patterns, four distinct failure/flow regimes can be identified, namely, (i) a simple radial flow regime, (ii) an infiltration-dominated regime, (iii) a grain displacement-dominated regime, and (iv) a viscous fingering-dominated regime. These distinct failure/flow regimes emerge as a result of competition among various energy dissipation mechanisms, namely, viscous dissipation through infiltration, dissipation due to grain displacements, and viscous dissipation through flow in thin channels and can be classified based on the characteristic times associated with fluid injection, hydromechanical coupling and viscoelastoplasticity. The injection process is also analyzed numerically using the discrete element method (DEM) coupled with two fluid flow scheme, a fixed coarse grid scheme based on computational fluid dynamics (CFD) and a pore network modeling scheme. The numerical results from the two complementary methods reproduce phenomena consistent with the experimental observations and justify the concept of associating the displacement regimes with the partition among energy dissipation mechanisms. The research in this work, though fundamental in nature, will have direct impacts on many engineering problems in civil, environmental and petroleum engineering such as ground improvement, environmental remediation and reservoir stimulation.

Submitted by Daniella Sodre (daniella.sodre@ufpe.br) on 2015-04-08T12:57:46Z No. of bitstreams: 2 TESE Eduardo Olímpio Dias.pdf: 4555696 bytes, checksum: a1e7972a45dbba945f075adf6ee33606 (MD5) license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) / Made available in DSpace on 2015-04-08T12:57:46Z (GMT). No. of bitstreams: 2 TESE Eduardo Olímpio Dias.pdf: 4555696 bytes, checksum: a1e7972a45dbba945f075adf6ee33606 (MD5) license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) Previous issue date: 2014-02-28 / CNPq / A formação de padrões na natureza tem sido uma fonte de grande interesse acadêmico e tecnológico. Nesta tese, estudamos a dinâmica de interfaces instáveis de três sistemas fundamentais: a instabilidade hidrodinâmica de Sa man-Taylor (os chamados dedos viscosos ), a instabilidade de Mullins-Sekerka (refere-se ao crescimento de cristais) e a propaga ção de ondas de ionização através de descargas elétricas. Dentre estes sistemas, o problema Sa man-Taylor é o mais abordado. Esta instabilidade surge na interface que separa dois uidos viscosos con nados entre duas placas paralela, num dispositivo conhecido como célula de Hele-Shaw, ou imersos em um meio poroso. Ao longo da tese, estudamos meios de selecionar o número de onda dominante dos padrões na interface uido- uido, os efeitos da inércia do uido na instabilidade e, principalmente, métodos de controle e minimização das perturbações na interface. Um dos meios de controle das instabilidade é através de uma suave modi cação geométrica no aparato no qual o uido está con nado. Nesse contexto, fomos capazes tanto de favorecer quanto de inibir e, eventualmente, suprimir os dedos viscosos. Um outro protocolo de estabilização, que consiste no principal método de controle desta tese, é através do cálculo variacional. O objetivo desse procedimento é encontrar uma forma funcional para a taxa de injeção de uido que minimize as instabilidades. Comprovamos experimentalmente e por simulações numéricas a e cácia desse processo. Tal método também é utilizado para minimizar instabilidades em crescimento de cristais e em processos de descarga elétrica. Além da investigação de interfaces instáveis, nós estudamos a força e a energia de adesão de uidos complexos con nados entre placas paralelas. Neste caso, nosso método variacional visa obter a equação de levantamento ideal da placa superior a m de minimizar a energia de adesão. Finalmente, efeitos de inércia na força de levantamento são estudados.

Afin d'étudier l'évolution spatio-temporelle d'un polluant miscible à l'eau et non réactif dans un milieu poreux saturé, un modèle de laboratoire (une cellule de Hele-Shaw transparente) a été développé. La conception de ce dispositif, les plaques sont réalisées en verre optique, a permis de mettre au point une méthode globale et non intrusive de mesure de la concentration dans la zone de mélange. Cette méthode est basée sur les propriétés d'absorption de la lumière par un colorant marquant la solution injectée. L'analogie entre une cellule de Hele-Shaw et un milieu poreux est basée sur la possibilité d'exprimer la vitesse moyenne de l'écoulement entre les deux plaques par la loi de Darcy. En outre, le transport moyen d'un traceur peut être décrit avec un tenseur de dispersion (dispersion de Taylor). Dans le cas d'un fluide hétérogène (e.g. : contrastes de masse volumique ou de viscosité), les conditions d'analogie sont obtenues par une approche analytique de type développement asymptotique et homogénéisation pour prendre en compte la variation de la masse volumique et de la viscosité dynamique en fonction de la concentration. Une nouvelle forme du tenseur de dispersion est établie. Suivant le débit volumique et la fraction massique en sel de la solution injectée dans le milieu homogène, des expériences qualitativement reproductibles montrent que le panache se propage sous la forme d'un ou de deux doigts. Un critère empirique, basé sur le rapport entre la vitesse gravitationnelle et celle à l'injection, est formulé pour prédire le type de propagation. Les simulations, réalisées avec un code numérique développé au laboratoire et incluant la nouvelle forme du tenseur de dispersion, permettent : (i) de reproduire de manière satisfaisante les résultats expérimentaux obtenus en milieu homogène et hétérogène et (ii) d'analyser les influences de la diffusion, de la géométrie de l'injection et du type de régime de dispersion sur les distributions numériques du soluté.

In verfahrenstechnischen Anlagen der Flüssig-Flüssig-Stoffübertragung kommt es an der Phasengrenze zwischen den nicht mischbaren Flüssigphasen häufig zur Ausbildung hydrodynamischer Instabilitäten. Sie sind mit komplexen Geschwindigkeitsfeldern in den Flüssigphasen, insbesondere in den grenzschichtnahen Regionen verbunden und führen zu einem starken Anstieg der pro Zeiteinheit übertragenen Stoffmenge. Die Lösung der Diffusionsgleichung reicht in diesem Fall zur Vorausberechnung des für Auslegungszwecke bedeutsamen Stoffdurchgangskoeffizienten nicht mehr aus. Chemische Reaktionen stellen Quellen oder Senken von Wärme und Stoff dar, die das Auftreten von Instabilitäten begünstigen und die mathematische Beschreibung zusätzlich erschweren. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden experimentelle und numerische Untersuchungen zum Flüssig-Flüssig-Stoffübergang in einem vertikalen Kapillarspalt durchgeführt. Reaktionsfreie Stoffübergänge und solche mit einer exothermen chemischen Reaktion an der Phasengrenze zeigten eine große Vielfalt von Konvektionsstrukturen, wie Rollzellen, Thermiken und das doppeldiffusive Fingerregime. Die Visualisierung der Transportvorgänge erfolgte durch das Schattenschlierenverfahren. Die Beobachtungen wurden hinsichtlich geometrischer Eigenschaften von Konvektionsstrukturen sowie deren zeitlicher Änderung ausgewertet. Dazu zählten insbesondere das Längenwachstum von Thermiken und horizontale Wellenlängen von Fingerstrukturen. Zur mathematischen Beschreibung der Phänomene im Kapillarspalt wurde ein Modell entwickelt, welches auf den gekoppelten, zweidimensionalen Transportgleichungen von Impuls, Wärme und Stoff beruht. Es berücksichtigt dichte- und grenzflächenspannungsgetriebene Instabilitätsmechanismen sowie die besonderen Durchströmungseigenschaften des Kapillarspalts. Die Phasengrenze wurde als eben angenommen. Die Lösung der Modellgleichungen erfolgt auf numerischem Wege durch ein Computerprogramm. Das Modell ist in der Lage, die beobachteten Instabilitätsphänomene qualitativ richtig wiederzugeben. Mit Hilfe von Simulationsrechnungen konnte der Mechanismus aufgeklärt werden, der zum schnelleren Rückgang des Stoffdurchgangskoeffizienten im Rollzellenregime der rein grenzflächenspannungsgetrieben Instabilität im Vergleich zum Vorgang mit überlagerter Dichtekonvektion führt. Des Weiteren gelang der Nachweis des doppeldiffusiven Fingerregimes beim Stoffübergang mit exothermer Grenzflächenreaktion. Die berechnete Erhöhung des Stoffdurchgangskoeffizienten stimmt mit Angaben in experimentellen Arbeiten anderer Autoren überein.

Cette thèse porte sur le transport de fibres isolées et de suspensions de fibres dans des géométries microfluidiques. L'utilisation de fibres dans les fluides de forage et ciments pour réduire les pertes de circulation dans les puits de pétrole est à l'origine de cette collaboration entre Schlumberger et l'ESPCI-PMMH. Dans ce contexte industriel où les fibres en écoulement interagissent avec les roches frontières du puits et des fractures, il est nécessaire de comprendre le rôle de la géometrie des fibres, leurs propriétés mécaniques et leur concentration, ainsi que la géométrie d'écoulement. Nous avons créé un système microfluidique modèle qui intègre dans la même expérience la fabrication et la mise en écoulement de fibres, implémentant deux techniques différentes. Ce système nous permet d'étudier indépendamment l'effet de tous les paramètres d'écoulement. Nous proposons une méthode de mesure in situ des propriétés mécaniques des fibres. Nous étudions expérimentalement et numériquement le transport de fibres isolées dans un écoulement de Darcy, en fonction de l'orientation et du confinement de la fibre. Lorsque la largeur du canal microfluidique diminue, des interactions entre la fibre et les bords latéraux du canal apparaissent. Elles mènent à un mouvement oscillatoire et régulier de la fibre entre les bords dont nous étudions la dynamique. Nous nous intéressons enfin aux effets collectifs de fibres en suspensions qui s'écoulent à travers une restriction. Nous étudions en particulier le rôle joué par leur orientation sur le blocage des restrictions, et la formation de flocs en amont de celles-ci.

In verfahrenstechnischen Anlagen der Flüssig-Flüssig-Stoffübertragung kommt es an der Phasengrenze zwischen den nicht mischbaren Flüssigphasen häufig zur Ausbildung hydrodynamischer Instabilitäten. Sie sind mit komplexen Geschwindigkeitsfeldern in den Flüssigphasen, insbesondere in den grenzschichtnahen Regionen verbunden und führen zu einem starken Anstieg der pro Zeiteinheit übertragenen Stoffmenge. Die Lösung der Diffusionsgleichung reicht in diesem Fall zur Vorausberechnung des für Auslegungszwecke bedeutsamen Stoffdurchgangskoeffizienten nicht mehr aus. Chemische Reaktionen stellen Quellen oder Senken von Wärme und Stoff dar, die das Auftreten von Instabilitäten begünstigen und die mathematische Beschreibung zusätzlich erschweren. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden experimentelle und numerische Untersuchungen zum Flüssig-Flüssig-Stoffübergang in einem vertikalen Kapillarspalt durchgeführt. Reaktionsfreie Stoffübergänge und solche mit einer exothermen chemischen Reaktion an der Phasengrenze zeigten eine große Vielfalt von Konvektionsstrukturen, wie Rollzellen, Thermiken und das doppeldiffusive Fingerregime. Die Visualisierung der Transportvorgänge erfolgte durch das Schattenschlierenverfahren. Die Beobachtungen wurden hinsichtlich geometrischer Eigenschaften von Konvektionsstrukturen sowie deren zeitlicher Änderung ausgewertet. Dazu zählten insbesondere das Längenwachstum von Thermiken und horizontale Wellenlängen von Fingerstrukturen. Zur mathematischen Beschreibung der Phänomene im Kapillarspalt wurde ein Modell entwickelt, welches auf den gekoppelten, zweidimensionalen Transportgleichungen von Impuls, Wärme und Stoff beruht. Es berücksichtigt dichte- und grenzflächenspannungsgetriebene Instabilitätsmechanismen sowie die besonderen Durchströmungseigenschaften des Kapillarspalts. Die Phasengrenze wurde als eben angenommen. Die Lösung der Modellgleichungen erfolgt auf numerischem Wege durch ein Computerprogramm. Das Modell ist in der Lage, die beobachteten Instabilitätsphänomene qualitativ richtig wiederzugeben. Mit Hilfe von Simulationsrechnungen konnte der Mechanismus aufgeklärt werden, der zum schnelleren Rückgang des Stoffdurchgangskoeffizienten im Rollzellenregime der rein grenzflächenspannungsgetrieben Instabilität im Vergleich zum Vorgang mit überlagerter Dichtekonvektion führt. Des Weiteren gelang der Nachweis des doppeldiffusiven Fingerregimes beim Stoffübergang mit exothermer Grenzflächenreaktion. Die berechnete Erhöhung des Stoffdurchgangskoeffizienten stimmt mit Angaben in experimentellen Arbeiten anderer Autoren überein.

This thesis is in the field of non-linear partial differential equations (PDE), focusing on problems which show some type of phase-transition. A single phase Hele-Shaw flow models a Newtoninan fluid which is being injected in the space between two narrowly separated parallel planes. The time evolution of the space that the fluid occupies can be modelled by a semi-linear PDE. This is a problem within the field of free boundary problems. In the multi-phase problem we consider the time-evolution of a system of phases which interact according to the principle that the joint boundary which emerges when two phases meet is fixed for all future times. The problem is handled by introducing a parameterized equation which is regularized and penalized. The penalization is non-local in time and tracks the history of the system, penalizing the joint support of two different phases in space-time. The main result in the first paper is the existence theory of a weak solution to the parameterized equations in a Bochner space using the implicit function theorem. The family of solutions to the parameterized problem is uniformly bounded allowing us to extract a weakly convergent subsequence for the case when the penalization tends to infinity. The second problem deals with a parameterized highly oscillatory quasi-linear elliptic equation in divergence form. As the regularization parameter tends to zero the equation gets a jump in the conductivity which occur at the level set of a locally periodic function, the obstacle. As the oscillations in the problem data increases the solution to the equation experiences high frequency jumps in the conductivity, resulting in the corresponding solutions showing an effective global behaviour. The global behavior is related to the so called homogenized solution. We show that the parameterized equation has a weak solution in a Sobolev space and derive bounds on the solutions used in the analysis for the case when the regularization is lost. Surprisingly, the limiting problem in this case includes an extra term describing the interaction between the solution and the obstacle, not appearing in the case when obstacle is the zero level-set. The oscillatory nature of the problem makes standard numerical algorithms computationally expensive, since the global domain needs to be resolved on the micro scale. We develop a multi scale method for this problem based on the heterogeneous multiscale method (HMM) framework and using a finite element (FE) approach to capture the macroscopic variations of the solutions at a significantly lower cost. We numerically investigate the effect of the obstacle on the homogenized solution, finding empirical proof that certain choices of obstacles make the limiting problem have a form structurally different from that of the parameterized problem. / <p>QC 20180222</p>

Cette thèse expérimentale s’inscrit dans le domaine des sciences séparatives et se base sur la technique de SPLITT (SPLIT-flow Thin fractionation). Son objectif consiste en l’étude des mécanismes qui sont à l’origine de la séparation, en continu et sans membrane, d’objets de taille micrométrique dans des mini-séparateurs fluidiques (Step-SPLITT). Les expériences menées, en laboratoire et lors de vols paraboliques, ont révélé le couplage complexe comme l’influence des effets hydrodynamiques et du champ gravitationnel sur la migration transverse des espèces en écoulement. Des visualisations tridimensionnelles par holographie digitale ont corroboré nos résultats et dévoilé des comportements inattendus. Les capacités séparatives des Step-SPLITT ont rendu possible l’analyse et la séparation d’objets biologiques et biomimétiques. Enfin, cette étude complétée par une modélisation tridimensionnelle de l’écoulement nous a permis de mettre au point un nouveau prototype de séparateur. This experimental thesis belongs to the field of separative sciences and is based on the SPLITT technique (SPLIT-flow Thin fractionation). The objective is to study the mechanisms that are at the origin of continuous and membraneless separation of micron-size species in mini fluidic separators (Step-SPLITT). Experiments undertaken in laboratory and during parabolic flights revealed the complex coupling of the hydrodynamic effects and the gravitational field influencing the transverse migration of the flowing species. Three-dimensional visualizations performed by digital holography confirmed our results and disclosed unexpected behaviours. The separation capacities of Step-SPLITT made the analysis and the separation of biological and biomimetic species possible. In addition this study in conjunction with a three-dimensional flow modelling enabled us to develop a new prototype of separator.