SILVA, Jorge Roberto Pereira da. Invasões múltiplas em meios porosos desordenados. 2013. 73 f. Dissertação (Mestrado em Física) - Programa de Pós-Graduação em Física, Departamento de Física, Centro de Ciências, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2013. / Submitted by francisco lima (admir@ufc.br) on 2014-03-20T13:24:31Z No. of bitstreams: 1 2013_dis_jrpdasilva.pdf: 6783022 bytes, checksum: 56a0994d2bd89d4081cf4955dce1d3dc (MD5) / Approved for entry into archive by Edvander Pires(edvanderpires@gmail.com) on 2014-05-16T21:51:28Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2013_dis_jrpdasilva.pdf: 6783022 bytes, checksum: 56a0994d2bd89d4081cf4955dce1d3dc (MD5) / Made available in DSpace on 2014-05-16T21:51:28Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2013_dis_jrpdasilva.pdf: 6783022 bytes, checksum: 56a0994d2bd89d4081cf4955dce1d3dc (MD5) Previous issue date: 2013 / In this dissertation, we investigate by means of numerical simulations geometrical and transport properties related with the invasion phenomena through disordered porous media in a very slow invasion regime, using two and three dimensions porous medias. Here, the porous media is modeling by means of a random structure, where each pore is represented by a random number comes from a uniform distribution. We assume that the invasion process occurs in the limit of very low viscous force, which means that the invasion process is controlled by capillary force. In this limit the invasion percolation model without trap is suitable. The new aspect incorporated here, consists basically of a multiple invasion process, where after the first invasion takes place only part of the structure of the porous, that was invaded previous, can be invaded again. We study, how the multiple invasion changes the fractal dimension of the invaded cluster. Estimated values for the fractal dimension of the invaded region reveal that the critical exponents vary as a function of the generation number G, i.e., where the number of times the invasion takes place. On base in numerical datas, we show the averaged mass M of the invaded region decreases with a power law as a function of G, M ∼ G{−β} , where the exponents β ≈ 0.59 (2D) and β ≈ 0.73 (3D). We also investigated, how the fractal dimension changes as a function of G, find that the fractal dimension of the invaded cluster changes from df = 1.89 ± 0.02 to ds = 1.22 ± 0.02 and df = 2.52 ± 0.02 to ds = 1.46 ± 0.02 for (2D) and (3D), respectively. These results confirm that the multiple invasion process follows a continuous transition from one universality class (nontrapping invasion percolation) to another (optimal path), furthermore these change are continuos for both dimensionality. Another aspect investigated, was the avalanche distribution in the invasion process. We analyzed how the distribution of avalanche changes as function of G, more precisely, how the multiple invasion process changes the exponent τ of the power law distribution. Regardless the values, we find that the behaviour of the exponents τ looks like the same for both dimensions studied. The exponents τ , initially change in a very slow way until reach a region, of certain value of G which depend on the dimension, they start to decrease in a deep way until reach the saturation value. The saturation value is close, for (2D), to one-dimension cas / Nesta dissertação, investigamos por meio de simulação computacional propriedades geométricas e de transportes relacionadas ao fenômeno de invasão em meios porosos desordenados no regime de invasão muito lento em sistemas bidimensionais e tridimensionais. O meio poroso considerado aqui é representado por meio de uma estrutura desordenada onde a cada poro que compõe este meio se associa um número aleatório obtido a partir de uma distribuição uniforme. Considerando o regime lento de invasão, onde as forças capilares dominam o escoamento em relação as forças viscosas, utilizando para a dinâmica de invasão o modelo de percolação invasiva sem aprisionamento. Introduzimos um variante no modelo de percolação invasiva, assumindo o aspecto de múltiplas invasões, onde a cada nova invasão apenas parte do substrato utilizado na invasão anterior pode ser invadido novamente. Em uma primeira parte, estudamos como o processo de múltipla invasão altera as características do agregado invadido. Valores estimados para a dimensão fractal da região invadida revelam que os expoentes críticos variam em função do número de geração G, isto é, o número de vezes que o processo de invasão foi repetido. Com base em dados numéricos, mostramos que a massa média do agregado invadido decresce na forma de uma lei de potência como função de G, M ~ G^{-β}, com o expoente β = 0.59 (2D) e 0.73 (3D). Investigamos como a dimensão fractal do agregado invadido varia em função dos repetitivos processo de invasão, mostrando que as mesmas variam de df = 1.89 ± 0.02 até ds = 1.22 ± 0.02 para o caso (2D) e df = 2.52 ± 0.02 até ds = 1.46 ± 0.02 para o caso (3D). Os resultados confirmam que o processo de múltiplas invasões segue uma transição continua entre as classes de universalidade do modelo de percolação invasiva sem aprisionamento e ótimo caminho, sendo este comportamento observado em duas e três dimensões. Um outro aspecto investigado nessa dissertação, foi o fenômeno de avalanche que ocorre durante o processo de invasão. Investigamos como a distribuição de tamanhos de avalanche, que se comporta na forma de uma lei de potência P(S, L) ~ S^{-τ} , altera-se em função das múltiplas invasões. Mais precisamente, calculamos como o expoente que governa o comportamento das avalanches se altera em função do número de geração G. Verificamos que este comportamento do expoente em função de G é semelhante para duas e três dimensões, apresentando uma região de mudança suave seguida por uma mudança mais acentuada até atingir um limite de saturação, onde o sistema se comporta de maneira parecida com o caso unidimensional.

FERNANDES, B. R. B. Implicit and semi-implicit techniques for the compositional petroleum reservoir simulation based on volume balance. 2014. 167 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2014. / Submitted by Marlene Sousa (mmarlene@ufc.br) on 2015-02-25T12:58:46Z No. of bitstreams: 1 2014_dis_brbfernandes.pdf: 7978835 bytes, checksum: c09f3f36ed47d0d4733bed811d217c87 (MD5) / Approved for entry into archive by Marlene Sousa(mmarlene@ufc.br) on 2015-02-26T13:46:25Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2014_dis_brbfernandes.pdf: 7978835 bytes, checksum: c09f3f36ed47d0d4733bed811d217c87 (MD5) / Made available in DSpace on 2015-02-26T13:46:25Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2014_dis_brbfernandes.pdf: 7978835 bytes, checksum: c09f3f36ed47d0d4733bed811d217c87 (MD5) Previous issue date: 2014-06-26 / In reservoir simulation, the compositional model is one of the most used models for enhanced oil recovery. However, the physical model involves a large number of equations with a very complex interplay between equations. The model is basically composed of balance equations and equilibrium constraints. The way these equations are solved, the degree of implicitness, the selection of the primary equations, primary and secondary variables have a great impact on the computation time. In order to verify these effects, this work proposes the implementation and comparison of some implicit and semi-implicit methods. The following formulations are tested: an IMPEC (implicit pressure, explicit composition), an IMPSAT (implicit pressure and saturations), and two fully implicit formulations, in which one these formulations is being proposed in this work. However, the literature reports some intrinsic inconsistencies of the IMPSAT formulation mentioned. In order to verify it, an iterative IMPSAT is implemented to check the quality of the IMPSAT method previously mentioned. The finite volume method is used to discretize the formulations using Cartesian grids and unstructured grids in conjunction with the EbFVM (Element based finite volume method) for 2D and 3D reservoirs. The implementations have been performed in the UTCOMP simulator from the University of Texas at Austin. The results of several case studies are compared in terms of volumetric oil and gas rates and the total CPU time. It was verified that the FI approaches increase their performance, when compared to the other approaches, as the grid is refined. A good performance was observed for the IMPSAT approach when compared to the IMPEC formulation. However, as more complex stencils are used, the IMPSAT performance reduces. / Em simulação de reservatórios, o modelo composicional é um dos mais usados para a recuperação avançada de petróleo. Entretanto, o modelo físico envolve um grande número de equações com uma complexa interelação entre elas. O modelo é basicamente composto por equações de balanço e restrições de equilíbrio. A forma como essas equações são resolvidas como, o grau de implicitude, a seleção das equações primárias, variáveis primárias e secundárias tem um grande impacto no tempo de computação. Com o intuito de verificar esse efeito, esse trabalho propõe a implementação e comparação de alguns métodos implícitos e semi-implícitos. As seguintes formulações são testadas: uma IMPEC (implicit pressure, explicit composition), uma IMPSAT (implicit pressure and saturations), e duas formulações totalmente implicitas, das quais uma destas está sendo proposta neste trabalho. Entretanto, a literatura relata algumas inconsistências intrínsecas da formulação IMPSAT mencionada. Para verificar isso, um IMPSAT iterativo foi implementado para verificar a qualidade nos resultados do método IMPSAT préviamente mencionado. O método de volumes finitos é usado para discretizar as formulações usando malhas Cartesianas e não-estruturadas em conjunto com o EbFVM (Element based finite volume method) para reservatórios 2D e 3D. A implementação foi realizada no simulador UTCOMP da Univeristy of Texas at Austin. Os resultados de diversos casos de estudo são comparados em termos das vazões volumétricas de óleo e gás e do tempo total de CPU. Verificou-se que as abordagens totalmente implícitas melhoram sua performance, quando comparado com os demais métodos, a medidaque a malha é refinada. Um bom desempenho foi observado para as formulações IMPSAT quando comparadas com a formulação IMPEC. Entretando, com o uso de conexões mais complexas entre os blocos da malha, o desempho da formulação IMPSAT reduziu.

FROTA, Diego Araújo. Eficiência dos arranjos de poços na recuperação de óleo pesado usando combustão in situ. 2010. 66 f. Dissertação (Mestrado em Física) - Programa de Pós-Graduação em Física, Departamento de Física, Centro de Ciências, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2010. / Submitted by Edvander Pires (edvanderpires@gmail.com) on 2015-05-04T18:03:06Z No. of bitstreams: 1 2010_dis_dafrota.pdf: 2643650 bytes, checksum: 047ea9b4e4de40134f2d48e5d47887bc (MD5) / Approved for entry into archive by Edvander Pires(edvanderpires@gmail.com) on 2015-05-07T14:46:34Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2010_dis_dafrota.pdf: 2643650 bytes, checksum: 047ea9b4e4de40134f2d48e5d47887bc (MD5) / Made available in DSpace on 2015-05-07T14:46:34Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2010_dis_dafrota.pdf: 2643650 bytes, checksum: 047ea9b4e4de40134f2d48e5d47887bc (MD5) Previous issue date: 2010 / Este trabalho contém um estudo comparativo sobre a eficiência de vários arranjos de poços para a recuperação de óleo de reservatórios de hidrocarbonetos usando a técnica de combustão in-situ. Conforme a demanda por energia aumenta a cada dia com o crescimento da economia mundial e o desenvolvimento das nações, a matriz energética mundial ainda depende fortemente de fontes fósseis e principalmente do petróleo, o qual, com o decorrer de sua exploração exige o aperfeiçoamento de métodos para a sua extração. Vários métodos foram criados para facilitar a extração de petróleo das rochas porosas, incluindo injeção de fluidos e/ou reações químicas para aumentar a pressão e/ou reduzir a viscosidade do óleo. Com o avanço tecnológico tornou-se possível também a perfuração de poços horizontais, que passam pelo reservatório paralelamente a superfície. Com isso, aparecem questões sobre determinar qual combinação do método de extração e configuração de poços é a mais favorável para um determinado tipo de reservatório, cujas características são especificadas pelas propriedades de suas rochas e seus fluidos. Nesta dissertação apresenta-se uma breve compilação dos conceitos e equações diferenciais usados na modelagem matemática dos escoamentos multi-fásicos de fluidos e do transporte de calor em meios porosos. Faz-se também um estudo comparativo de várias configurações de poços horizontais e verticais (VIHP, VI2HP, HIHP, HI2HP e 2VIHP) para injetar e extrair fluidos em reservatórios de óleo pesado com dimensões de 300x100x20 metros. Ar é então injetado em seu interior a fim de criar uma frente de combustão que se propaga do poço injetor ao produtor. As simulações numéricas são realizadas através do simulador térmico de reservatórios STARS do CMG. As propriedades físicas e químicas do reservatório e as reações químicas são baseadas no reservatório Wolf Lake. Foi investigado também a influência dos parâmetros que controlam a dependência da viscosidade do óleo com a temperatura. Os resultados mostram que a configuração 2VIHP obtém a melhor recuperação entre as configurações estudadas independentemente dos parâmetros estudados.

SILVA FILHO, I. M. da. Prodrução de filmes finos de SnO2 pelo método de spray pirólise utilizando um forno à gás natural com combustão de filtração. 2012. 61 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2012. / Submitted by Marlene Sousa (mmarlene@ufc.br) on 2012-04-04T19:01:18Z No. of bitstreams: 1 2012_dis_imsilvafilho.pdf: 1358608 bytes, checksum: b82e8a0cfa6fbe15120c5bd4c87f8677 (MD5) / Approved for entry into archive by Marlene Sousa(mmarlene@ufc.br) on 2012-04-04T19:01:57Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2012_dis_imsilvafilho.pdf: 1358608 bytes, checksum: b82e8a0cfa6fbe15120c5bd4c87f8677 (MD5) / Made available in DSpace on 2012-04-04T19:01:57Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2012_dis_imsilvafilho.pdf: 1358608 bytes, checksum: b82e8a0cfa6fbe15120c5bd4c87f8677 (MD5) Previous issue date: 2012 / The tin dioxide (SnO2) as thin film can be produce with high transparency to visible light and good electrical conductivity. The SnO2 thin films have many technological applications in industry, mainly in electronic devices that use preview display, such as devices in research laboratories. One of the most promising applications is its use as a transparent conductive oxide in photovoltaic solar cells. Due to its transparency in the visible spectrum and low resistivity, the films of tin dioxide are used as a constituent component of photovoltaic solar cells. The present work aims to use a heat furnace, which uses combustion in porous media technology for the production of thin films of tin dioxide (SnO2) on glass substrates, using the technique of spray pyrolysis. The furnace used has a chamber where the films of SnO2 are sintered and a pre-chamber, where the precursor solution is applied films on glass substrates. Spray gun was adapted to furnace and coupled to the antechamber for the spraying of the solution of tin on glass substrates. The technique of doping thin films of Fluoride was used in order to reduce the resistance to electrical current. The thin films of SnO2 was characterized by their optical transmittance spectrum and electrical resistance. The structure of films of tin oxide was study by x-ray diffraction and atomic force microscopy. / O dióxido de estanho (SnO2) em forma de filme fino pode ser produzido com grande transparência à luz visível e boa condutividade elétrica. Os filmes finos de SnO2 possuem muitas aplicações tecnológicas na indústria, principalmente em aparelhos eletrônicos que utilizam display de visualização, como em dispositivos em laboratórios de pesquisa. Uma das aplicações mais promissoras é a sua utilização como óxido condutor transparente em células solares fotovoltaicas. Devido as suas características de transparência ótica no espectro visível e baixa resistividade, os filmes finos de dióxidos de estanho são empregados como componente constituinte de células solares fotovoltaicas. A proposta deste trabalho é a utilização de um forno, que utiliza a tecnologia de Combustão em Meios Porosos para fabricação de filmes finos de dióxido de estanho sobre substratos de vidro, utilizando a técnica de spray pirólise. O forno utilizado nesse projeto possui uma câmara, onde os filmes de SnO2 são sinterizados, e uma antecâmara, onde a solução precursora dos filmes é aplicada sobre substratos de vidro. Uma pistola spray foi adaptada ao forno, acoplada a antecâmara, para a aspersão da solução de estanho sobre substratos de vidro. Foi utilizada a técnica de dopagem dos filmes finos com flúor com o intuito de reduzir a resistência à corrente elétrica. Os filmes finos de SnO2 foram caracterizados em relação a transmitância ótica ao espectro visível e em relação a resistência elétrica. Também foram realizadas medidas de difração de raios-X e microscopia de força atômica para a revelação e estudo da estrutura dos filmes de óxido de estanho.

Os meios rochosos são compostos por blocos de rochas intactos e por descontinuidades. As descontinuidades representam zonas de baixa rigidez, onde as propriedades do maciço estão degradadas, reduzindo a resistência do mesmo. Elas também constituem caminhos para o fluxo de fluidos no interior da rocha. O estudo do comportamento hidráulico-mecânico acoplado existente nos meios porosos é realizado pela poroelasticidade, que relaciona os campos de tensões e deformações no maciço, gerados pela deformação mecânica do esqueleto e pela ação do fluido pressurizado nos poros. Uma abordagem micromecânica permite estender os resultados clássicos da teoria de poroelasticidade para o caso de juntas que são capazes de transferir esforços ao longo de suas faces. Neste contexto, o meio rochoso heterogêneo é substituído por um meio homogêneo equivalente, pela aplicação do conceito de mudança de escala da teoria da homogeneização, que possibilita a determinação das propriedades efetivas do maciço. Demonstra-se que, para certas distribuições geométricas das juntas, é possível obter soluções analíticas para o comportamento do maciço pela aplicação de estimativas como, por exemplo, o esquema Mori-Tanaka, onde as juntas são modeladas como esferoides. Um modelo numérico via método dos elementos finitos, que considera explicitamente as juntas, é usado para comparar os resultados obtidos. / Rock media are composed by blocks of intact rock and discontinuities. Discontinuities represent zones of low stiffness, where the mass properties of the rock are degraded, with reduced resistance. They also provide ways for fluid flow within the rock. The study of coupled mechanical-hydraulic behavior existing in porous media is perfomed by poroelasticity, which relates the stress and strain fields in a rock mass generated by the mechanical deformation of the skeleton and the action of pressurized fluid in the pores. A Micromechanics approach allows to extend the classical results of the theory of poroelasticity to the case of joints that are able to transfer stresses along their faces. In this context, a heterogeneous rock media is replaced by an equivalent homogeneous medium by applying the micro-macro approach from the theory of homogenization, which allows the determination of the effective properties of the rock mass. It is shown that, for some geometric distributions of the joints, it is possible to obtain analytical solutions for the rock behavior by applying estimates methods as the Mori-Tanaka scheme, where the joints are modeled as oblong spheroids. A numerical model via the finite element method, where the joints are considering explicitly, is used in order to compare the results.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This work deals with the two-phase flow in heterogeneous porous media of fractal nature, where the fluids are considered immiscible. The porous media are modeled by the Kozeny-Carman Generalized (KCG) equation, a relationship between permeability and porosity obtained from a new power law. This equation proposed by us is able to generalize various models of the literature, and thus is of more general use. The numerical simulator developed here employs finite difference methods. Following the classic strategy called IMPES, the evolution in the time is based on an operators splitting technique. Thus, the pressure field is computed implicitly, whereas the saturation equation of wetting phase is solved explicitly in each time step. The optimization method called DFSANE is used to solve pressure equation. We emphasize that the DFSANE method has not been used before in the reservoir simulation context. Therefore, its use here is unprecedented. To minimize numerical diffusions, the saturation equation is discretized by an upwind-type scheme, commonly employed in numerical simulators for petroleum recovery, which is explicitly solved by the fourth order Runge-Kutta method. The simulation results are quite satisfatory. In fact, these results show that the KCG model is able to generate heterogeneous porous media, whose features enable to capture physical phenomena that are generally inaccessible to many simulators based on classical finite differences, as the so-called fingering phenomenon, which occurs when the mobility ratio (between the fluid phases) assumes adverse values. In all simulations presented here, we consider that the immiscible flow is two-dimensional. Thus, the porous medium is characterized by permeability and porosity fields defined in two-dimensional Euclidean regions. However, the theory discussed in this work does not impose restrictions for the their application to three-dimensional problems. / O presente trabalho trata do escoamento bifásico em meios porosos heterogêneos de natureza fractal, onde os fluidos são considerados imiscíveis. Os meios porosos são modelados pela equação de Kozeny-Carman Generalizada (KCG), a qual relaciona a porosidade com a permeabilidade do meio através de uma nova lei de potência. Esta equação proposta por nós é capaz de generalizar diferentes modelos existentes na literatura e, portanto, é de uso mais geral. O simulador numérico desenvolvido aqui emprega métodos de diferenças finitas. A evolução temporal é baseada em um esquema de separação de operadores que segue a estratégia clássica chamada de IMPES. Assim, o campo de pressão é calculado implicitamente, enquanto que a equação da saturação da fase molhante é resolvida explicitamente em cada nível de tempo. O método de otimização denominado de DFSANE é utilizado para resolver a equação da pressão. Enfatizamos que o DFSANE nunca foi usado antes no contexto de simulação de reservatórios. Portanto, o seu uso aqui é sem precedentes. Para minimizar difusões numéricas, a equação da saturação é discretizada por um esquema do tipo "upwind", comumente empregado em simuladores numéricos para a recuperação de petróleo, o qual é resolvido explicitamente pelo método Runge-Kutta de quarta ordem. Os resultados das simulações são bastante satisfatórios. De fato, tais resultados mostram que o modelo KCG é capaz de gerar meios porosos heterogêneos, cujas características permitem a captura de fenômenos físicos que, geralmente, são de difícil acesso para muitos simuladores em diferenças finitas clássicas, como o chamado fenômeno de dedilhamento, que ocorre quando a razão de mobilidade (entre as fases fluidas) assume valores adversos. Em todas as simulações apresentadas aqui, consideramos que o problema imiscível é bidimensional, sendo, portanto, o meio poroso caracterizado por campos de permeabilidade e de porosidade definidos em regiões Euclideanas. No entanto, a teoria abordada neste trabalho não impõe restrições para sua aplicação aos problemas tridimensionais.

Nesta tese apresentamos novas formulações de elementos finitos mistas estabilizadas para o escoamento de Darcy, e para o escoamento acoplado de Stokes-Darcy. A aplicação do Método de Galerkin às formulações clássicas do sistema de Darcy é revista, e são comentadas algumas estabilizações existentes na literatura. A partir da combinação consistente de resíduos de mínimos quadrados da lei de Darcy, da equação de conservação de massa e do rotacional de lei de Darcy, são desenvolvidas novas formulações para a aproximação do escoamento no meio poroso, que possuem características de estabilidade superiores às existentes. É apresentada uma nova abordagem que permite o emprego destas formulações em meios porosos com interface de descontinuidade da condutividade hidráulica. Combinando estas novas formulações estabilizadas para o escoamento de Darcy, com formulações de Petrov-Galerkin para o escoamento de Stokes, são desenvolvidos métodos estabilizados para o sistema acoplado, que permitem o emprego de interpolações lagrangianas, de mesma ordem inclusive, para a velocidade e para a pressão, tanto no domínio de Stokes quanto no de Darcy, com interpolações contínuas ou descontínuas para a pressão. / In this thesis we propose new stabilized finite element methods for Darcy flow and for the coupled Stokes-Darcy flow. We review the Galerkin method applied to the classical variational formulations of the Darcy's system, and comment on some stabilization techniques proposed in the literature. Through the consistent combination of least square residuals of the Darcy's law, the mass balance equation and the curl of Darcy's law, we develop new finite element formulations to porous media flow, that have higher stability than the usual stabilizations. We present a methodology to incorporate restrictions that allows the application of these formulations to flow in heterogeneous porous media with an interface of discontinuity of the hydraulic conductivity tensor. By combining the new stabilized formulations for Darcy flow with Petrov-Galerkin formulations to Stokes flow, we develop stabilized methods for the coupled Stokes-Darcy flow that employ Lagrangian finite element spaces in both domains, continuous for the velocity and continuous or discontinuous for the pressure. Equal-order interpolations can be adopted for both velocity and pressure spaces.

Neste trabalho desenvolvemos a modelagem computacional dos fenômenos inerentes ao acoplamento hidromecânico que governam o escoamento de dois fluidos imiscíveis em uma matriz porosa heterogênea e deformável. As equações do modelo na escala de Darcy são decompostas em dois subsistemas associados a poromecânica e ao transporte dos fluidos. Neste contexto novos métodos numéricos são propostos para a computação da velocidade de Darcy baseados em técnicas de pós-processamento de Petrov-Galerkin em conjunção com métodos localmente conservativos para a equação hiperbólica de transporte da saturação aliados à técnica de decomposição de operadores para a computação dos efeitos da evolução temporal da porosidade induzidos pela deformação da matriz porosa sobre o transporte. As simulações numéricas do modelo resultante nos permite identificar diferentes regimes do acoplamento hidromecânico durante o processo de extração secundária de petróleo. Em particular analisamos a influência da razão de viscosidade entre os fluidos e da heterogeneidade da matriz porosa sobre os diferentes regimes de acoplamento. Dentre os vários fenômenos capturados no modelo damos particular ênfase ao surgimento de um processo de compactação retardada do reservatório devido à inundação de água onde, em particular, ilustramos seu efeito sobre as curvas de produção de petróleo. No contexto da modelagem estocástica analisamos também os efeitos das heterogeneidades e incertezas presentes nos coeficientes de permeabilidade e das constantes elásticas do meio poroso sobre os diferentes regimes do acoplamento geomecânico. A caracterização destes regimes governados pela razão de viscosidade e pelo coeficiente de variação das heterogeneidades é ilustrada por meio de simulações numéricas do processo de extração secundária de um reservatório sujeito ao peso das camadas superiores. / In this work we develop the computational modeling of the hydromechanical couplings which govern two-phase flow in a heterogeneous poroelastic media. At the Darcy scale the governing equations are decomposed in two subsystems associated with the poromechanics and hydrodynamics. In this context new numerical methods are proposed for the computation of the Darcy velocity based on Petrov-Galerkin post processing techiniques in conjunction with locally conservative methods for the hyperbolic transport equation and for water saturation together with an operator splitting technique for the computation of the transient porosity effect upon the transport equation. Numerical simulations allow us to identify different regimes of hydromechanics coupling during the secondary of petroleum withdrawal.In particular, we analyze the influence of the viscosity ratio and strength of heterogeneity upon the various coupling regimes. Among the many phenomena captured by the model we give particular emphasis on the delayed compaction of the reservoir due to the water flooding illustrating its effects upon the oil production curves. Within the framework of the stochastic modelinf, we analyze the effects of the heterogeneity and the uncertainty in permeability and elastic coeddicientsupon the hydromechanical coupling regimes. The characterization of these regimes governed by yhe viscosity ratio and by the strength of heterogeneity is illustrated in numerical simulations of secondary oil withdrawal from a reservoir subject to the overburden due the weight of the overlaying formations.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:55:35Z (GMT). No. of bitstreams: 1 5078.pdf: 4584807 bytes, checksum: 70e2c15d24d5960f2013d1c5b90260f9 (MD5) Previous issue date: 2013-03-19 / Universidade Federal de Sao Carlos / Convective drying of leaves involves heat and mass transfer in packed-beds of deformable material, since the leaves shrink significantly when the moisture is removed. Therefore, the packing structure changes over time, and the transfer properties alter as well. An additional drawback is the challenge to obtain reproducible packings, given the random nature of packing for such an irregular type of material. In this work, an experimental investigation was conducted to analyze how basil leaves (Ocimum basilicum L.) behave during drying focusing in the challenging characteristics of this particulate phase. A full characterization of the leaves as a particulate solid was conducted by measuring their dimensions, specific density, initial moisture content and equilibrium moisture content. Loose and compacted bulk densities were measured for beds of leaves under different moisture content. Results indicate that the basil leaves have a low sphericity (=0.160), a high projected area (Aproj=4.55 cm2) and density equal to 0.874 g.cm-3. Bulk density of fresh leaves was 0.089 g.cm-3 in loosely packed-beds, and 0.198 g.cm-3 in compacted packed-beds. Drying experiments were performed in a range of 30 to 60oC under different air-particle contact modes, including fixed and moving beds. Drying cells 10 cm in diameter with heights of either 1 or 12 cm (corresponding to thin-layer and deep-layer beds respectively) were tested with air flowing perpendicular to the samples. In moving beds, a rectangular chamber of dimensions 20 cm x 11 cm was used, also with air flowing perpendicular to the samples. In the conditions tested, problems were observed regarding reproducibility of data of moisture content versus time, bed shrinking, channeling and non-homogeneous drying. It was demonstrated that these problems appear due to the inherent characteristics of the leaves (low density, high ratios of surface area to volume, rough surface, etc.), and also due to their biological variability, which made it difficult to obtain packed-beds with reproducible characteristics in different assays. Homogeneous drying was obtained only for moving beds with vertical vibration, under dimensionless vibration parameter equal to 1.0 and an amplitude of vibration of 0.5 cm. The effect of the cell diameter to mean leaf size ratio (D/dm) on the bulk densities and drying rates was also investigated. For that, the size of leaves was reduced by cutting them in two parts widthways (half-sized particles), and also in four parts, width- and lengthways (quarter-sized particles), resulting in D/dm= 4.2 (whole leaves), 5.3 and 7.8 (half- and quarter-sized leaves respectively). It was observed that loose and compacted bulk densities did not vary significantly for beds of half-sized particles, but increased approximately 20% in beds of quarter-sized leaves. Regarding the drying rates, a tendency of an increase as D/dm was raised to 7.8 was observed, but the variation remained within the range of standard deviation of experimental data. Axial shrinking of the beds throughout drying was measured in deep packed-beds. The initial bed height was reduced by approximately 47% after 100 minutes of drying at 60 oC. The pressure drop through the bed decreased drastically when the leaves were dried, resulting in an increase by 141 times in the bed permeability for drying at a temperature of 60°C. The results obtained show that the packed-bed structure strongly affects the heat and mass transfer during convective drying of leaves. / A secagem convectiva de folhas envolve os processos de transferência de calor e massa em leitos empacotados de materiais deformáveis, uma vez que as folhas apresentam um elevado encolhimento com a redução da umidade. Desta forma, a estrutura do pacote de folhas muda ao longo do tempo de secagem, e as propriedades de transferência também se alteram. Um inconveniente adicional é a dificuldade de se obter pacotes reprodutíveis, devido à natureza aleatória dos empacotamentos constituídos por este tipo de material, que tem formatos irregulares. Neste trabalho, uma investigação experimental foi realizada com o intuito de avaliar como as folhas de manjericão (Ocimum basilicum L.) comportam-se durante o processo de secagem, levando em consideração as características desta fase particulada. Uma caracterização completa das folhas enquanto um sólido particulado foi realizada medindo-se suas dimensões características, massa específica, teor de umidade inicial e teor de umidade de equilíbrio. As densidades bulk solta e compactada foram medidas para leitos de folhas com diferentes teores de umidade. Os resultados indicam que as folhas de manjericão possuem baixa esfericidade (=0,160), elevada área projetada (Aproj=4,55 cm2) e massa específica igual a 0,874 g.cm-3. As densidades bulk obtidas para as folhas in-natura foram iguais a 0,089 g.cm-3 e 0,198 g.cm-3, para os leitos com empacotamento solto e compactado, respectivamente. Experimentos de secagem foram realizados para temperaturas do ar de secagem entre 30 e 60°C, e com os leitos de folhas sendo submetidos a diferentes formas de contato sólido-fluido, incluindo leitos fixos e móveis. Células de secagem com 10,0 cm de diâmetro e com alturas de 1,0 ou 12,0 cm (correspondendo às alturas de leitos com camada fina e espessa, respectivamente) foram testadas com escoamento de ar perpendicular ao material. Nos ensaios de secagem em leitos móveis, uma câmara retangular com área de seção transversal de 20,0 cm x 11,0 cm foi usada, também com escoamento de ar perpendicular às amostras. Nas condições investigadas, problemas com relação à reprodutibilidade das curvas de cinética de secagem, encolhimento do leito, canalização do ar nas proximidades das paredes da célula e secagem não homogênea foram observados. Foi demonstrado que estes problemas aparecem como consequência das características inerentes às folhas (baixa massa específica, elevada relação Ap/Vp, rugosidade superficial, etc.), e também devido à variabilidade biológica, que dificulta a obtenção de pacotes de folhas com características similares entre diferentes ensaios. Um produto final seco de forma homogênea foi obtido somente para os ensaios realizados em leitos móveis com vibração vertical, utilizando adimensional de vibração igual a 1,0 e amplitude vibracional de 0,5 cm. O efeito da razão D/dm (diâmetro da célula/dimensão média da folha) sobre as densidades bulk e taxas de secagem foi também avaliado. Para isto, as folhas inteiras (D/dm=4,2) foram cortadas em duas e em quatro partes (valores de D/dm=5,3 e 7,8, respectivamente). Verificou-se que as densidades bulk médias solta e compactada não variaram significativamente para os leitos de folhas cortadas em duas partes, mas aumentaram em 20% para as folhas cortadas em quatro partes em relação às folhas inteiras. Em relação às taxas de secagem, uma tendência de aumento foi observada quando D/dm passou de 4,2 para 7,8, mas as diferenças mantiveram-se dentro da faixa de desvios padrão dos dados experimentais. O encolhimento axial dos leitos foi medido durante ensaios de secagem utilizando camadas espessas de folhas. A altura inicial dos leitos de folhas foi reduzida em aproximadamente 47% após cerca de 100 minutos de secagem para os ensaios de secagem realizados a 60°C. Os valores de queda de pressão através do leito diminuíram bastante quando as folhas foram secas, resultando em um aumento de 141 vezes na permeabilidade do leito para a secagem com o uso de T=60°C. Os resultados experimentais obtidos neste trabalho mostram que a estrutura dos leitos de folhas afetam fortemente as transferências de calor e massa que ocorrem durante a secagem das folhas.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:55:39Z (GMT). No. of bitstreams: 1 5969.pdf: 5762637 bytes, checksum: b93939ad127db2a63af10c90cac8c992 (MD5) Previous issue date: 2014-07-18 / Universidade Federal de Sao Carlos / In the present work, an experimental study about heat and mass transfer phenomena was carried out during drying of porous media when subjected to an upward flow of heated air. The cylindrical porous media consisted of non-consolidated particles of activated alumina of several diameters. The particulate system was initially characterized based on the achievement of its main physical, thermal and structural properties. The drying experiments consisted of obtaining sorption isotherms at different operational conditions and in determining moisture and temperature data versus time. The temperature profiles were obtained by thermocouples inserted in the porous body and the moisture content data by the gravimetrical method. The concept of time in series analysis was applied to determine the stationarity of the experimental data. The drying of the porous media was studied theoretically based on the context of the pseudo-homogeneous formulation, which led to the estimation of transport parameters of interest considering two situations: the presence of the external resistance to mass transfer and the interfacial equilibrium condition. The estimated transport coefficients were analyzed as constant or variable throughout the drying process. The diffusive mechanisms of mass transfer were estimated in order to identify the limiting one in drying. According to the results obtained, the vapor flux is controlled by liquid superficial diffusion into the particle. However, it was found that the effective moisture diffusivity is a harmonic mean of all the diffusive mechanisms, being the all type of moisture diffusivity of both particles and the porous medium important parameters in drying. The results showed that the drying of the porous medium studied is controlled by external resistance of heat and mass transfer. The pseudo-homogeneous formulation presented restrictions for the situation in which the interfacial equilibrium is admitted in the drying problem. / No presente trabalho, os fenômenos de transferência de calor e massa foram estudados experimentalmente durante a secagem de meios porosos quando submetidos a um escoamento monofásico ascendente de ar aquecido. Os meios porosos estudados foram de geometria cilíndrica e não-consolidados de partículas de alumina ativada de diferentes diâmetros. Preliminarmente, o sistema particulado foi caracterizado com base na obtenção de suas principais propriedades físicas, térmicas e estruturais. Os experimentos de secagem em camada espessa e camada delgada consistiram na obtenção de isotermas de sorção em diferentes condições operacionais e na determinação de dados de temperatura e umidade em função do tempo para um meio poroso insaturado. Os perfis unidirecionais de temperatura foram obtidos a partir de um conjunto de termopares inseridos no corpo poroso, enquanto que dados de umidade do material em função do tempo foram determinados por gravimetria. O conceito da análise de séries temporais foi aplicado para investigar a variação dos dados observados experimentalmente. Paralelamente, o problema de secagem foi estudado teoricamente com base no contexto a uma fase da formulação pseudo-homogênea, o que levou à estimação de parâmetros de transporte de interesse para duas situações distintas: presença da resistência externa à transferência e condição de equilíbrio interfacial. Os coeficientes de transporte foram tratados como constantes ou variáveis ao longo do processo de secagem e verificado o ajuste proporcionado pelo modelo difusivo para essas duas abordagens. Os principais mecanismos difusivos de transferência de massa foram estimados com o intuito de identificar o mecanismo limitante e também se a cinética de secagem é controlada pela difusão na partícula ou nos interstícios do meio poroso. Os resultados obtidos mostraram que a secagem dos meios porosos estudados é controlada pela resistência externa à transferência de calor e massa e que a formulação pseudo-homogênea apresentou restrições para a situação na qual o equilíbrio interfacial é admitido no sistema. Verificou-se que a difusividade efetiva de umidade dos meios porosos é uma média harmônica de todos os mecanismos difusivos existentes, sendo ambas as características das partículas e do meio poroso, importantes no processo de secagem.