Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-graduação em Engenharia de Automação e Sistemas, Florianópolis, 2010 / Made available in DSpace on 2012-10-24T22:47:39Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Os fluidos extraídos dos poços de produção de petróleo são, em geral, uma composição de óleo, gás, água salgada e sedimentos, onde água e óleo podem formar uma emulsão. Para a indústria do petróleo é de vital interesse conhecer a quantidade de água existente nestes fluidos para poder controlar e melhorar os processos em todas as fases da produção do petróleo. Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um sensor para medição da fração de água em dutos, que transportam uma mistura bifásica de água e óleo. O medidor bifásico proposto é baseado em tecnologia de micro-ondas e no princípio físico de ressonância em uma cavidade eletromagnética. A medição da fração de água de um fluxo bifásico é realizada pelo monitoramento da frequência ressonante da cavidade eletromagnética, uma vez que a frequência de ressonância é dependente de vários fatores, entre eles a permissividade relativa do meio. Desta maneira têm-se diferentes frequências ressonantes para diferentes frações de água e óleo. Os campos elétricos dentro da cavidade ressonante foram modelados e simulados utilizando o software HFSS (High Frequency Structure Simulator) da Ansoft. Uma versão industrial deste sensor foi desenvolvida para um duto de escoamento de 3", em que um analisador de rede foi utilizado para detectar os picos de ressonâncias e desta forma inferir a fração de água. Resultados de simulação e experimentais, considerando uma mistura bifásica de água e óleo, permitem avaliar o medidor. Os experimentos foram realizados com misturas de água doce e óleo mineral, água doce e óleo diesel e água saturada de sal e óleo diesel. Inicialmente os experimentos foram executados de forma estática e, posteriormente, um sistema foi construído para a realização de experimentos de forma dinâmica.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2010 / Made available in DSpace on 2012-10-25T03:27:30Z (GMT). No. of bitstreams: 1 281164.pdf: 2374230 bytes, checksum: 1446a320aa57a5c872ebf73117ad4054 (MD5) / A produção de reservatórios de gás úmido pode ser dificultada pela alta sensibilidade a variações de pressão apresentadas por algumas misturas de hidrocarbonetos. Nestes casos, mudanças nas condições de operação do poço podem ocasionar a formação de condensado em excesso, a tal ponto que o fluxo de gás não seja suficientemente elevado para arrastá-lo até a superfície. Este acúmulo de líquido no poço, denominado carga de líquido, gera uma contrapressão que reduz ou até mesmo interrompe a sua produção. Neste ínterim, o presente trabalho é o primeiro de uma linha de pesquisa que se propõe ao desenvolvimento de modelos de escoamento bifásico gás-líquido transientes, com forte embasamento fenomenológico, capazes de descrever a interação dos fluidos produzidos (gás e condensado) entre si e com a coluna de produção na qual estão contidos. Para tal, são resolvidas as equações de conservação das fases envolvidas (massa, quantidade de movimento e energia), através do Método da Divisão da Matriz de Coeficientes (Chakravarthy et al., 1980), o qual é específico para sistemas de Equações Diferenciais Parciais hiperbólicas. A discretização numérica é efetuada por meio do Método das Diferenças Finitas. O modelo aqui proposto se dedica ao padrão anular em um duto vertical e contempla a existência de três campos distintos: o filme líquido, o núcleo gasoso e o líquido sob a forma de gotículas suspensas no núcleo. O transporte entre os dois campos de líquido é modelado a partir de correlações da literatura para taxas de entranhamento e deposição de gotículas. O procedimento de cálculo usado na solução do escoamento anular é verificado pela resolução de problemas em ordem crescente de complexidade, os quais requerem para sua solução a formulação de modelos monofásicos, bifásicos homogêneos e de dois fluidos (Städtke, 2006). Resultados são comparados a soluções analíticas (no caso do escoamento em um tubo de choque, por exemplo) e numéricas conhecidas. O modelo anular é verificado por meio de comparações com o programa GRAMP2, desenvolvido por Barbosa e Hewitt (2006), para a solução do escoamento anular em regime permanente. / The production of hydrocarbon mixtures from wet gas reservoirs can be at times extremely sensitive to variations in pressure and other flow parameters. In such cases, changes in the operating conditions of the wellbore may lead to the formation of a significant amount of condensate which is above the maximum limit that the gas flow is capable of carrying upwards by interfacial drag along the channel. This accumulation of fluid in the wellbore, the so-called liquid loading, generates a backpressure that reduces or even interrupts the production of gas from the reservoir. In this context, the present work is the first of a research line aimed at developing phenomenological models for transient two-phase gas-liquid flows in wellbores. The mass, momentum and energy conservation equations for the phases involved are solved by the Split Coefficient Matrix Method (SCMM) proposed by Chakravarthy et al. (1980) for systems of hyperbolic Partial Differential Equations systems. The numerical discretization is performed using the Finite Differences Method. The model advanced in the present work is concerned with the annular gas-liquid flow pattern in a vertical channel and takes into account the presence of three separate fields: the liquid film, the gaseous core and the liquid entrained as droplets in the gas stream. Mass transport between the two liquid fields is modeled based on correlations available in the literature for the rates of droplet entrainment and deposition. The calculation procedure proposed here for annular flow is verified against the solution of ancillary problems in order of increasing complexity. To solve the simpler problems, one resorts to single phase, two-phase homogeneous and two fluid models (Städtke, 2006), and the results from this simpler models are compared to analytical (in the case of the flow in a shock tube, for example) and known numerical solutions. The annular flow model is verified through comparisons with the GRAMP2 program, developed by Barbosa and Hewitt (2006), for steady-state annular flows.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2010 / Made available in DSpace on 2012-10-25T03:57:16Z (GMT). No. of bitstreams: 1 285784.pdf: 3511851 bytes, checksum: ff89e124f69a4f069157f3c48967ef06 (MD5) / Nos últimos vinte anos, com a progressiva miniaturização de quipamentos e sistemas de engenharia e o conseqüente aumento das taxas com que calor é dissipado por unidade de área, diferentes tecnologias vêm sendo avaliadas para o resfriamento de altos fluxos de calor em componentes eletrônicos. Sistemas de resfriamento envolvendo a mudança de fase líquido-vapor de um fluido de trabalho, como termossifões bifásicos e ebulição em convecção forçada em microcanais, são atualmente experimentados em diversas aplicações. Dentre as alternativas mais promissoras, destaca-se o resfriamento por jatos bifásicos (spray cooling), o qual consiste na atomização de um fluido de trabalho no estado líquido através de um injetor (ou um arranjo de injetores) direcionado à superfície a ser resfriada. Dependendo das condições de operação, uma fina película de líquido pode cobrir totalmente a superfície aquecida e diferentes regimes de transferência de calor por ebulição podem se fazer presentes. Tais cenários proporcionam elevados valores do coeficiente de transferência de calor por convecção, fazendo com que um alto fluxo de calor possa ser removido mediante um pequeno grau de superaquecimento da superfície do aquecedor. Este trabalho apresenta uma análise teórica do processo de resfriamento com um único spray incidindo perpendicularmente a uma superfície plana voltada para cima. O modelo matemático para o campo de velocidades, temperaturas e concentração de gotículas por unidade de volume de spray é baseado em uma formulação de dois fluidos diferencial quasi-bidimensional que considera a variação radial dos campos de velocidade no spray por meio de perfis gaussianos. Um critério para a existência de um filme contínuo sobre a superfície aquecida é apresentado com base na relação entre a frequência com que as gotas atingem a superfície e o tempo de ciclo de vida das mesmas, o qual é definido com o tempo decorrido ao longo do impacto, espalhamento e secagem total de uma gota. Quando as condições de operação são tais que um filme líquido contínuo é formado, um modelo matemático é proposto para se determinar a variação da espessura da película em função da distância radial a partir do eixo de simetria do jato. Tal modelo é baseado em um balanço de quantidade de movimento no filme, levando em conta a transferência de quantidade de movimento ao filme por parte das gotas incidentes e assumindo que o perfil de velocidades no filme obedeça à lei-log universal. A transferência de calor por ebulição no filme fino é computada com base em um modelo de superposição onde a parcela de ebulição nucleada é computada por meio da correlação de Nishikawa para filmes líquidos finos. O modelo é verificado a partir de dados experimentais obtidos por diversos autores para fluidos de trabalho como água, FC-72 e R-134a, onde se observa uma concordância da ordem de ± 30%para o coeficiente de transferência de calor médio. Um modelo matemático também é apresentado para a transferência de calor no regime de filme líquido descontínuo, o qual é baseado naquele proposto por Aoki para a evaporação de uma gotícula impactando sobre uma superfície. O modelo proposto combina o modelo de Aoki para a fração da superfície coberta pelas gotas com um modelo para a convecção forçada monofásica na fração da superfície em contato direto com o vapor. / Over the last twenty years, with the progressive miniaturization trend of engineering systems, there has been a continuous increase of the rates with which heat is dissipated per unit area in electronic equipment. Among the many technologies under constant evaluation and development for cooling of high heat fluxes, such as two-phase thermosyphons, heat pipes and forced convection boiling in microchannels, spray cooling is one of the most promising due to the high heat transfer coefficients involved. The technique consists of atomizing a working fluid through a nozzle (or a nozzle array) directed to ward the surface to be cooled. Depending on the operating conditions, a thin liquid film can cover completely the heated surface and various regimes of boiling heat transfer can be present. These conditions provide high values for the heat transfer coefficient, which enables the removal of the large heat transfer rates with a small superheating of the heater wall. This work presents a theoretical analysis of the cooling process with a single spray perpendicular to an upward-facing flat plate heater. The mathematical model for determining the phase velocities, temperatures and droplet concentration per unit volume in the spray is based on a two-fluid quasi two-dimensional differential formulation which considers the variation of velocities in the radial direction via Gaussian distributions. A criterion for the existence of a continuous film on the heated surface is presented based on the relation between the droplet lifetime on the heated surface and the frequency with which it reaches the heated surface. When the operating conditions are such that a continuous liquid film is formed, a mathematical model is proposed to determine the variation of the film thickness as a function of the radial distance from the spray center line. This model is based on mass and momentum balances, taking into account the momentum transfer to the film by the drops which impact on its free surface. A universal log-law velocity profile is assumed in the liquid film. Boiling heat transfer in the thin film is computed based on a superposition model using the thin liquid film boiling correlation of Nishikawa. The model is verified against experimental data obtained by several authors for working fluids such as water, FC-72 and R-134a, with an average agreement of ± 30%for the average heat transfer coefficient. A mathematical model was also developed for heat transfer in the discontinuous liquid film regime based on the theory advanced by Aoki for the evaporation of a single droplet impacting on a surface. The proposed calculation method combines the Aoki model for the fraction of the surface covered by the drops with a model for the single-phase forced convection heat transfer in the fraction of the surface in direct contact with the vapor.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2012-10-22T09:27:09Z (GMT). No. of bitstreams: 1 247341.pdf: 5473179 bytes, checksum: fd1d6b0de8707ac3226268575edab3a2 (MD5) / O crescimento de uma camada de gelo nas estruturas aerodinâmicas de uma aeronave (asas, empenagens, nacelles, etc.) pode ocorrer quando esta voa através de uma nuvem contendo gotículas de água super-resfriadas que congelam ao se chocarem contra as superfícies. Esta camada de gelo altera as características aerodinâmicas da aeronave, ocasionando queda de sustentação e aumento do arrasto, além da perda de eficiência dos motores no caso das nacelles (compartimento que abriga o motor). Para evitar estes problemas, existem os dispositivos de proteção contra a formação de gelo que precisam ser dimensionados. Para isso, é necessário conhecer o escoamento externo e o processo de transferência de calor que ocorre sobre a superfície e nas camadas metálicas que formam a estrutura aerodinâmica. O escoamento externo, formado pelo ar e gotículas de água é resolvido, no caso mais geral, utilizando o modelo de dois fluidos, que considera as duas fases (ar e gotículas de água) como contínuas, sendo que a concentração de cada fase dentro de um volume de controle é medida pela fração volumétrica. O fluxo de água que incide sobre a superfície, assim como o coeficiente de transferência de calor, tensão cisalhante e pressão na parede são obtidos desta solução para a geometria 3D de um dado componente da aeronave, podendo ser uma asa ou uma nacelle, por exemplo. Estes dados, além das condições ambientes e os dados do sistema de proteção são os parâmetros de entrada para o modelo termodinâmico. Este modelo é 2D, aplicado em perfis bidimensionais gerados a partir de cortes feitos na geometria 3D, na mesma direção do escoamento. Em cada um destes cortes é realizado um balanço de massa em volumes de controle sobre a superfície. Este balanço depende da temperatura na superfície, que é obtida da solução do problema de transferência de calor na região que envolve a estrutura metálica, a camada de gelo, se já houver, e um filme de água que pode se formar sobre a superfície. Um sistema de proteção anti-gelo é considerado na análise, sendo que a solução do problema de transferência de calor na região interna, onde o sistema opera, é suposta conhecida. Este sistema acoplado (massa e energia) fornece as espessuras de gelo formadas em cada posição de cada perfil, e estes são então modificados para representar a nova geometria. Com os novos perfis bidimensionais obtidos, a estrutura 3D é reconstruída. O processo todo é então repetido até o tempo desejado de formação de gelo. Os resultados obtidos mostram boa concordância com resultados de outros códigos disponíveis na literatura, assim como resultados experimentais Ice growth on the leading edge of aerodynamic surfaces of an aircraft may occur when it flies through a cloud that contains super-cooled water droplets. These droplets hit the surfaces and freeze immediately. The ice layer changes the geometry and affects the aerodynamic characteristics of such structures, leading to lift drop, drag and weight increase and engine efficiency decrease in the case of ice deposition on nacelles. To avoid these undesired effects, protection systems are built inside the structures and they need to be designed based on the amount of ice deposited under certain conditions. The ice accretion problem comprehends the solution of the external flow and the heat transfer process taking place in the metal layers, ice and in the water film that may also be present. The external flow, which includes air and water droplets is solved, in a more general form, by using the two-fluid model, which assumes both phases (air and water droplets) as a continuum. The amount of each fluid in a material control volume is measured by the volume fraction of each phase. The impingement water flux, as well as the convective heat transfer coefficient, shear stress and pressure on the wall are obtained from the flow around the 3D geometry of the aerodynamic structure. These data, besides the environmental conditions and the information about the anti-icing system, are the input data for the thermodynamic model. This model is applied on 2D profiles generated from cut planes over the 3D geometry in the flow direction. A mass balance is carried out in control volumes located over the external surface of each profile. This balance depends on the surface temperature, which is computed from the solution of the heat transfer problem in the metal and ice layers and the water film. The internal flow conditions, related to the protection system operation, are assumed to be known. The coupled system (mass and energy) provides the ice thickness deposited in each position of the surface for all the profiles. These profiles are changed to account for the ice growth and the 3D geometry is re-built. Then, the external flow is solved again. This process continues until the desired icing time is reached. The results obtained compare well with results obtained by other softwares available in the literature as well as with experimental data.

[pt] Uma grande parcela da população depende de águas subterrâneas para o consumo. Assim, vazamentos dos tanques de gasolina representam um risco significativo de saúde pública, além dos riscos de incêndio e explosão que o vazamento de vapores destes tanques pode causar nas linhas de esgotos dos edifícios. Estes tanques estão em geral localizados na zona não saturada dos solos, acima do nível freático. Torna-se assim importante avaliar a mobilidade destes compostos nestas condições e em particular de prever a sua chegada no lençol freático. Esta avaliação pode ser feita através de procedimentos numéricos de análise. O principal objetivo deste trabalho é a implementação numérica de um programa que simule o fluxo transiente de NAPLs (non aqueous phase liquids) em meios porosos não saturados. A solução numérica é obtida pela utilização do método dos volumes finitos. Para representar as características hidráulicas dos solos, a função Brooks e Corey e os modelos de Brooks e Corey-Burdine são utilizados. O trabalho apresenta detalhes do programa desenvolvido e o seu uso para simular ensaios de fluxo de gasolina e gasolina misturada com etanol realizados na PUC em estudos anteriores. / [en] A large proportion of the population depends on groundwater for consumption. Thus, leakage of gasoline tanks represents a significant risk to public health besides the risk of fire and explosion in the sewer lines, due to the flammable gases. These tanks are generally located in the unsaturad soil above the groundwater level. It is therefore important to evaluate the mobility of these compounds under these conditions and in particular to predict its arrival in the water table. This assessment can be done by numerical procedures for analysis. The main objective of this work is the numerical implementation of a program that simulates the transient flow of NAPLs (non aqueous phase liquids) in unsaturated porous media. The numerical solution is obtained by using the method of finite volumes. To represent the hydraulic characteristics of soils, the function of Brooks and Corey, as well as the Brooks and Corey-Burdine’s model are used. The essay presents details of the program developed and its use to simulate the flow testing of gasoline and gasoline blended with ethanol made in the PUC in previus studies.

[pt] Volume of Fluid (VOF) é um método amplamente empregado na predição de escoamentos multifásicos devido à sua simplicidade, boas características de conservação de massa e natural tratamento de interfaces topologicamente complexas. No entanto, para escoamentos dominados por tensão interfacial, a literatura tem mostrado que a precisão nas estimativas da tensão interfacial ainda é um problema em questão, que pode levar a correntes parasíticas e previsão imprecisa da condição de salto de pressão através das interfaces. Isto ocorre principalmente devido às variações abruptas do campo de fração volumétrica através das interfaces, que leva a imprecisão no cálculo das curvaturas interfaciais. Portanto, diferentes abordagens têm sido apresentadas para mitigar este problema, incluindo funções-altura, suavização da fração volumétrica, ajuste parabólico, entre outros. Este trabalho propõe uma nova abordagem para estimativa de curvatura em VOF, mas não limitado a este, que lança uma nova luz a este problema persistente. A ideia é amostrar a interface por nuvens de pontos e normais na isosuperfície de nível 0.5 do campo de fração volumétrica e calcular a curvatura para cada ponto da nuvem por uma técnica de Computação Gráfica (ajuste de normais). As curvaturas são, então, projetadas na malha Euleriana de maneira tal como no método Front-Tracking. O novo método foi implementado no código padrão de VOF do OpenFOAM (interFoam) resultando em melhorias nas estimativas de salto de pressão e em significativa redução das correntes espúrias. Simulações numéricas foram realizadas e resultados comparados a dados de referência demonstrando a viabilidade da ideia. / [en] Volume of Fluid (VOF) is a widely employed method for multiphase flows prediction for its simplicity, good mass conservation characteristics and natural handling of topologically complex interfaces. For surface tension dominated flows, however, literature has shown that accuracy in surface tension estimations is still an issue, what may cause parasitic currents and inaccurate prediction of pressure jump condition across interfaces. It occurs mainly due to abrupt changes in the volume fraction field across the interfaces, which takes to inaccurate estimates of interfacial curvatures. Therefore, different approaches have been proposed to mitigate this problem including height-functions, volume fraction smoothing, parabolic fittings, among others. This work proposes a novel approach for curvature estimation in VOF, but not limited to it, that sheds a new light on this persistent problem. The idea is to sample the interfaces with clouds of points and normals at the 0.5 level isosurface of the volume fraction field and to compute the curvature for each point of the cloud by a Computer Graphics technique (normal fitting). The curvatures are then projected onto the Eulerian grid in a Front-Tracking fashion. The new method was implemented in the standard OpenFOAM VOF solver (interFoam) resulting in improvements on the pressure jump estimations and in significant reduction of spurious currents. Numerical simulations were performed and results compared to benchmark data showing the feasibility of the idea.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2012-10-22T17:53:25Z (GMT). No. of bitstreams: 1 230069.pdf: 18786227 bytes, checksum: 37219692730c9c351c5735e1c75ef0b3 (MD5) / Este trabalho propõe uma metodologia numérica para a simulação do escoamento multifásico em reservatórios de petróleo utilizando o Método de Volumes Finitos baseado em Elementos (EbFVM). Este método emprega malhas não-estruturadas com elementos triangulares e/ou quadrangulares, o que lhe confere maior flexibilidade e generalidade. Os poucos métodos disponíveis na literatura de petróleo que utilizam malhas não-estruturadas tratam os fluxos nas interfaces dos volumes de controle de forma inadequada. Isto causa dificuldades quando triângulos obtusos são empregados e origina interpretações equivocadas da transmissibilidade. Propõe-se neste trabalho um novo cálculo do fluxo da forma exata e que flexibiliza o processo de construção de malhas que representem com maior fidelidade as heterogeneidades, poços horizontais e verticais, e falhas, o que contribui para a diminuição do tempo de simulação. A solução das equações resultantes foi obtida empregando-se os métodos IMPES (Implicit Pressure Explicit Saturation) e Totalmente Implícito. O sistema linear foi resolvido pelo método multigrid baseado na correção aditiva, que aglomera os blocos da malha levando em consideração os coeficientes do sistema linear. A operação de refinamento localizado é facilitado pela adoção de um sistema de coordenadas locais que permite um tratamento similar a todos os elementos da malha o que elimina a imprecisão numérica das técnicas de refino tradicionais. Demonstra-se que é possível lidar com os mapas de permeabilidade em sua forma completa e sem médias, um aspecto importante na simulação de reservatórios heterogêneos e anisotrópicos. O modelo resultante é fisicamente consistente e leva a uma clara interpretação das transmissibilidades, revelando que triângulos retângulos e obtusos podem ser usados sem maiores restrições. Ao comparar os resultados obtidos com os dos modelos usualmente empregados na simulação de reservatórios de petróleo, o método EbFVM proposto mostrou-se mais flexível e menos susceptível ao efeito de orientação de malha.

[pt] Sistemas de escoamento multifásico se formam ao longo de um poço de produção de petróleo. A análise do comportamento do escoamento através da coluna de produção é realizada com o apoio de ferramentas computacionais e é essencial para o projeto e operação de um sistema de produção de petróleo. Os simuladores comerciais disponíveis para esse tipo de análise exigem aquisição de licença, cujo custo é elevado, restringindo seu uso às grandes companhias petrolíferas e aos renomados institutos de pesquisa. Além disso, esses programas não permitem a visualização da metodologia utilizada para o tratamento do problema físico e para a solução numérica empregada, e nem a alteração de parâmetros internos, tornando seu uso restrito a certas classes de problemas. Apesar da grande demanda e utilidade desse tipo de software ainda há poucos trabalhos desenvolvidos nessa área. Esta pesquisa tem como objetivo apresentar o desenvolvimento de um simulador de escoamento multifásico simplificado e aberto, com aplicação na otimização da produção de óleo e gás. Dentre as aplicações do programa podemos citar a obtenção das curvas de gradiente de pressão e a otimização de gás-lift. Um estudo paramétrico foi conduzido, mostrando a influência de parâmetros como, por exemplo, o diâmetro da tubulação. Os resultados obtidos foram comparados com a literatura e são fisicamente coerentes. Sendo assim, o programa desenvolvido mostra-se promissor. / [en] Multiphase flow systems are formed along an oil production well. The analysis of the flow behavior through the production column is performed with the aid of computational tools, and is very important to the design and optimization of the oil well production operation. In general, the commercial softwares available to analyze this process are very expensive, which restrict its use to some particular companies. In addition, the methodology used to analyze the physical problem, and the numerical solution are fixed and closed, which restrict its use to certain classes of problems, since it is not possible to change or improve the numerical solution. Despite the great demand and use of this kind of software, there are few researches in this area. This research aims to present the development of a simplified multiphase flow simulator open to public, with application to the optimization of oil and gas production wells. Among the applications are the plot of pressure-distribution curves and the optimization of gas-lift. A parametric study is performed, showing the influence of some governing parameters, such as tubing diameter, in the production flow rate. The results obtained were compared with pertinent literature and are physically reasonable, showing that the software developed is promising.

[pt] Dentre os custos considerados na explotação de um campo de petróleo, os de perfuração constituem uma parcela significativa do total. Dentro deste cenário, devemos estar atentos à remoção dos cascalhos gerados pela perfuração, também referido como limpeza de poços. Esta operação é, ainda hoje, um tema crítico na perfuração de poços de alta inclinação, pois os cascalhos que se depositam devido à ação da gravidade, formam um leito no interior do espaço anular formado entre a coluna de perfuração e o revestimento. Quando este leito ocupa grande parte do espaço anular, ele é responsável por diversos problemas na perfuração, como por exemplo, desgaste prematuro da broca, baixas taxas de penetração, fraturamento da formação, torques e arrastes excessivos na coluna de perfuração, prisão da coluna de perfuração, interrupção da circulação de fluido, aumento da pressão no anular, etc. Se esta situação não for tratada adequadamente, o problema pode provocar a perda do poço. A tese propõe uma modelagem para o escoamento multifásico na perfuração de poços de petróleo, capaz de avaliar a formação do leito de cascalhos e prever oscilações de pressões no anular decorrentes do escoamento. O modelo adotado é o de duas camadas, onde o espaço anular é dividido em duas regiões: leito e suspensão. O leito (Região 1) é formado pelos cascalhos que se sedimentam devido ao efeito gravitacional enquanto a suspensão (Região 2) é a porção do anular acima do leito depositado, formada pelo fluido de perfuração e os cascalhos transportados. As equações que constituem o modelo implementado são dadas pelas equações de conservação de massa para os sólidos e para o líquido e as equações de conservação de quantidade de movimento para o leito e para a suspensão. O método dos volumes finitos foi utilizado para a discretização das equações diferenciais juntamente com o método de Newton para a solução do sistema não-linear de equações. A solução é dada através das seguintes variáveis: altura do leito, velocidade dos sólidos no leito e na suspensão, velocidade do fluido no leito e na suspensão, pressão no anular e concentração de sólidos no anular. Exemplos de aplicação da metodologia são apresentados e mostram o comportamento das variáveis envolvidas ao longo do tempo. Os exemplos mostram a eficácia da metodologia para simular operações de perfuração, em especial, a limpeza de poço. / [en] Among the costs considered on an oil field exploration, the drilling process related ones constitute a significant share. Consequently, the focus on the removal of cuttings generated by the drilling process, or the hole cleaning operation, is essential. This operation remains a critical issue in the drilling of high inclination-wells, since the cuttings tend to deposit themselves due to gravity´s action, forming a bed in the annular space formed between the drill string and the casing. When this bed takes a sizable fraction of the annular space, it becomes responsible for many problems that appear on the drilling stage, such as premature bit´s exhaustion, low rates of penetration, formation fracture, excessive torque and drag on the drillstring, stuck pipe, fluid flow interruption, etc. If this situation is not treated properly, it may cause the loss of the well. This present thesis proposes a model for multiphase flow in the wellbore drilling, capable of evaluating the formation of the cuttings´ bed and to predict oscillations of pressures in annulus due to the flow. A two-layer model is adopted, where the annular space is divided in two regions: bed and suspension. The bed (Region 1) is formed by the cuttings, which were deposited due to the action of gravitational force, while the suspension (Region 2) is the portion of the annular above the deposited bed, formed by the drilling fluid and cuttings. The constitutive equations of the aforementioned model are given by the equations of mass conservation for solids and liquids and the momentum conservation equations for the bed and the suspension. The finite volumes method was used to turn the differentials equations into discrete ones, while the Newton´s method was applied for the solution of the nonlinear system of equations. The solution is given through the following variables: bed height, solid velocity and fluid velocity both in bed and suspension, annular pressure and solid concentration in the annular. Examples of application of the methodology are presented, showing the behavior of the involved variables through time. The examples show the efficacy of the methodology to simulate drilling operations, in special hole cleaning ones.

[pt] O escoamento de bolhas de gás em fluidos não-newtonianos é muito importante em diversas aplicações, tais como biorreatores, processamento de alimentos e operações de perfuração e cimentação de poços de petróleo, contudo poucos estudos abordam este tema. No presente trabalho é analisado o escoamento ascendente de bolhas de gás em fluido viscoplástico, modelado aqui como fluido Herschel-Bulkley. Utilizou-se uma abordagem bidimensional, aproximada por placas paralela. O escoamento multifásico foi numericamente simulado fazendo uso do método de volumes finitos VOF (volume of fluid), o qual resolve as equações de conservação de massa e momento aclopado a uma equação para a fração volumétrica dos fluidos. A influência de fatores tais como tensão limite de escoamento, dimensão da bolha, número de bolhas e distância entre as bolhas escoando em um fluido viscoplástico foram investigadas. Os resultados indicaram que a tensão limite de escoamento tem grande impacto na velocidade de deslocamento da bolha. No caso de mais de uma bolha escoando foi também observado que o deslocamento de uma bolha altera a velocidade de ascenção das outras, fazendo com que elas se unam, e a medida em que a distância entre as bolhas aumenta a interferência é eliminada e as mesmas escoam como bolhas individuais. Além disso, foi verificado que, dependendo do tamanho da bolha escoando, a parede interfere na sua velocidade de ascenção. Por fim foi analisada a mudança no formato da bolha, podendo-se observar que em número de Reynolds menores a mesma apresenta um formato esférico e a medida em que este parâmetro aumenta, a bolha vai se deformando e adquire uma forma elipsoidal. Os resultados qualitativos do presente estudo numérico foram comparados com alguns trabalhos experimentais encontrados na literatura e corresponderam relativamente bem. / [en] The gas bubble displacement in non-Newtonian fluids is important in many applications, including bioreactors, food processing and drilling and cementing of oil wells however a few studies have investigated this issue. The motion of gas bubbles in a viscoplastic fluid, modeled as a Herschel-Bulkley fluid, is analysed in the present work. A bidimensional approach was used, approximated by parallel plates. The multiphase flow was numerically simulated using the finite volume technique VOF (volume of fluid), which solves the conservation equations of mass and momentum coupled to an equation for the volume fraction of the fluids. Is was investigated the influence of factors such as fluid yield stress, bubble size, number of bubbles rising in the viscoplastic fluid and also the distance between them. The results indicated that the yield stress has great impact on the bubble rising velocity. In the case of multiple bubbles flowing it was also observed that the displacement of one bubble influences the rising velocity of the others, causing them to join together. As the distance between the bubbles increase the interference is eliminated and the bubbles flow separately. Furthermore, it was found that there was an wall interference depending on the size of the bubble. Lastly, it was analysed the change in the shape of the bubble. It could be observed that for lower Reynolds number the bubbles presented an spherical shape and as this parameter increases it turns into an elipsoidal shape. The qualitative results of the present study agreed relatively well with experimental works found in the literature.