This thesis presents a numerical method for the phase-resolving simulation of rigid particles and deformable bubbles in viscous, magnetohydrodynamic flows. The presented approach features solid robustness and high numerical efficiency. The implementation is three-dimensional and fully parallel suiting the needs of modern high-performance computing. In addition to the steps towards magnetohydrodynamics, the thesis covers method development with respect to the immersed boundary method which can be summarized in simple words by From rigid spherical particles to deformable bubbles. The development comprises the extension of an existing immersed boundary method to non-spherical particles and very low particle-to-fluid density ratios. A detailed study is dedicated to the complex interaction of particle shape, wake and particle dynamics. Furthermore, the representation of deformable bubble shapes, i.e. the coupling of the bubble shape to the fluid loads, is accounted for. The topic of bubble interaction is surveyed including bubble collision and coalescence and a new coalescence model is introduced. The thesis contains applications of the method to simulations of the rise of a single bubble and a bubble chain in liquid metal with and without magnetic field highlighting the major effects of the field on the bubble dynamics and the flow field. The effect of bubble coalescence is quantified for two closely adjacent bubble chains. A framework for large-scale simulations with many bubbles is provided to study complex multiphase phenomena like bubble-turbulence interaction in an efficient manner.

[pt] Acidentes com influxo descontrolado de hidrocarbonetos em um poço de petróleo (blowouts) são eventos com baixa probabilidade de ocorrência na indústria, porém têm impactos catastróficos. O evento de Macondo, com uma sonda afretada pela British Petroleum (BP) no Golfo do México (GoM), mostrou que um acidente dessa proporção tem um impacto significativo nas pessoas, no meio ambiente, nos ativos e na imagem da empresa. Portanto, uma resposta rápida e definitiva para o problema se mostra necessária. Dentre as possibilidades de se conter um derramamento de óleo ocasionado por um blowout, a mais efetiva para cessar o vazamento com segurança e abandonar definitivamente o poço em descontrole é o poço de alívio. Trata-se de um poço direcional perfurado a uma determinada distância do poço em blowout, respeitando-se critérios mínimos de segurança, com o objetivo de interceptar este no ponto estabelecido em projeto. Após a interceptação, injeta-se fluido de alta densidade que, quando preenche o poço que estava em blowout, gera uma contra-pressão capaz de cessar o influxo de hidrocarbonetos do reservatório. Quando é feita essa contra-pressão e o poço que estava em blowout estiver estável e sem influxo, injeta-se cimento pelo poço de alívio para que seja tamponado o reservatório e o poço possa ser abandonado de forma definitiva. No presente trabalho o enfoque é no amortecimento do poço em blowout através do poço de alívio e, portanto, parte-se do pressuposto que a detecção e interceptação do poço em influxo foi feita com sucesso no ponto desejado. A detecção, a interceptação e o abandono no poço em blowout não são estudados com detalhes. O trabalho é desenvolvido tomando como base um poço exploratório de gás a ser simulado, trabalhando os requisitos de pressão e vazão que melhor se adequam ao proposto. O objetivo do amortecimento do poço em blowout pelo poço de alívio é cessar o influxo descontrolado de forma eficaz, otimizando os parâmetros de pressão, vazão e volume de fluido às capacidades de sondas e embarcações disponíveis no mercado. Caso não seja possível o amortecimento variando a densidade do fluido injetado e a pressão nas bombas de injeção, parte-se para mudanças na estratégia de amortecimento como, por exemplo, variação no número de poços de alívio a serem perfurados para amortecer o poço em blowout ao mesmo tempo. Não será objetivo do presente trabalho a modificação no projeto do poço com o objetivo de facilitar o amortecimento. / [en] Accidents with uncontrolled influx of hydrocarbons into an oil well (blowouts) are events with a low probability of occurrence in the industry. Although, if they occur, the impact may be catastrophic. The Macondo event, with British Petroleum s rig (BP) in the Gulf of Mexico (GoM), showed that an accident of this proportion has a significant impact on people, environment and an image of the company. Therefore, a quick and definitive response for the problem is necessary. There are several possibilities to contain an oil spill caused by a blowout. However, the most effective way to safely plug and abandon (P and A) the blowout well is the relief well. This technique consists of the construction of a directional well at a certain distance from the blowout well, respecting minimum safety criteria, in order to intercept this at the point established in the project. After the interception, kill mud is pumped at high rates what makes a backpressure capable of killing the blowout well. When this backpressure is enough to kill the blowout well, cement is pumped through the relief well to plug and abandon permanently the well. In the present work, the objective is to kill the blowout well and we consider that detection and interception of the blowout well was successfully been made at the target point. Detection, interception and P and A of the blowout well are not covered in detail. This work is developed based on an exploratory gas well to be simulated, working the pump rate and pump pressure requirements that best fit in the proposed one. The purpose of well killing is to kill the well optimizing the parameters of pressure, flow and volume of fluid considering the rig and vessels available in the market. If well killing is not possible by varying the density of the kill mud and pump pressure it will be tried new strategies like changing the number of relief wells at the same time to be drilled killing the blowout well. It s not a purpose of this study to change the well design.

The production and transportation of hydrocarbon fluids in multiphase pipelines could be severely hindered by particulate solids deposit such as produced sand particles which accompany hydrocarbon production. Knowledge of the flow characteristics of solid particles in fluids transported in pipelines is important in order to accurately predict solid particles deposition in pipelines. This research thesis presents the development of a three-dimensional (3D) Computational Fluids Dynamics (CFD) modelling technique for the prediction of liquid-solids multiphase flow in pipes, with special emphasis on the flow in V-inclined pipe bends. The Euler-Euler (two-fluid) multiphase modelling methodology has been adopted and the multiphase model equations and closure models describing the liquid-solids flow have been implemented and calculated using the finite volume method in a CFD code software. The liquid phase turbulence has been modelled using a two-equation k−ε turbulence model which contains additional terms to account for the effects of the solid-particles phase on the multiphase turbulence structure. The developed CFD numerical framework has been verified for the relevant forces and all the possible interaction mechanisms of the liquid-solids multiphase flow by investigating four different numerical frameworks, in order to determine the optimum numerical framework that captures the underlying physics and covers the interaction mechanisms that lead to sand deposition and the range of sand transport flow regimes in pipes. The flow of liquid-sand in pipe has been studied extensively and the numerical results of sand concentration distribution across pipe and other flow properties are in good agreement with published experimental data on validation. The numerical framework has been employed to investigate the multiphase flow in V-inclined pipe bends of ±4o−6o, seemingly small inclined bend angles. The predicted results which include the sand segregation, deposition velocity and flow turbulence modulation in the pipe bend show that the seemingly small pipe bends have significant effect on the flow differently from that of horizontal pipes. The pipe bend causes abrupt local change in the multiphase flow characteristic and formation of stationary sand deposit in the pipe at a relatively high flow velocity. The threshold velocity to keep sand entrained in liquid in pipe bends is significantly higher than that required for flow horizontal pipes. A critical implication of this is that the correlations for predicting sand deposition in pipelines must account for the effect of pipe bend on flow characteristics in order to provide accurate predictions of the critical sand transport velocity (MTV) in subsea petroleum flowlines, which V-inclined pipe bends are inevitable due to seabed topology.

Un nouveau système d’aération de surface pour le traitement des eaux usées a été étudié. Sa spécificité réside dans sa capacité à fonctionner selon deux modes : aération ou simple brassage, en modifiant uniquement le sens de rotation du système. Un pilote a permis de cibler le travail sur l’étude expérimentale du transfert de matière et de l’hydrodynamique. Les champs d'écoulement et les mesures de vitesse à l'intérieur de la cuve agitée ont été réalisés par vélocimétrie laser à effet Doppler (LDV) et par vélocimétrie par images des particules (PIV) pour le mode monophasique (brassage) et pour le mode diphasique (aération). Le transfert d'oxygène se produit à la fois dans la cuve et dans le spray au-dessus de la surface de l'eau. Il a été étudié dans les deux zones. Différentes configurations et conditions opératoires ont été testées afin de comprendre les phénomènes d’interaction : tube de guidage, hélice complémentaire RTP, vitesse de rotation, niveau de submersion des pales de la turbine. La partie expérimentale sur l’hydrodynamique et les champs d'écoulement montre que le mode de fonctionnement en pompage vers le bas (brassage) avec tube de guidage procure les meilleurs résultats en termes de mélange si on se réfère aux champs d'écoulement et à la mesure du temps de mélange. Pour le mode de fonctionnement en pompage vers le haut (aération), les résultats expérimentaux montrent que la configuration du système complet est la plus efficace si on considère le transfert d’oxygène, les vitesses moyennes, l'intensité de l'écoulement turbulent et le temps de mélange. Il est constaté que la meilleure efficacité d'aération standard est atteinte (SAEb = 2.65 kgO2kw-1h-1) lorsque le système complet est utilisé. L'efficacité d'aération standard à 20°C la plus élevée au niveau du spray d'eau est obtenue ((ESP)20 = 51,3%) avec la configuration du système complet. Plusieurs modèles sont proposés pour calculer le transfert d'oxygène dans la cuve et dans le spray, la consommation énergique et le temps de mélange. Ces relations permettent d’évaluer l’influence des différents paramètres géométriques et de fonctionnement dans des systèmes similaires à une échelle industrielle. / A new surface aeration system for water and wastewater treatment has been studied. Its uniqueness lies in its ability to operate in two modes: aeration or simply blending (mixing) by just reversing the direction of rotation. An experimental plant has enabled to focus on mass transfer performance and hydrodynamics. The flow pattern and the velocity field measurements inside the agitated tank were performed by both the Laser Doppler Velocimetry (LDV) and the Particle Image Velocimetry (PIV) techniques for the single phase (Mixing) mode and for the two phases (Aeration) mode. The oxygen mass transfer occurs both in the water bulk and in the spray above water surface and has been independently investigated. Different configurations and operational conditions were tested during the experimental part in order to interpret phenomenon effect of the draft tube and RTP propeller, rotational speed, turbine blades submergence and else on the flow field and the oxygen mass transfer in the agitated system that produced mainly by a cone shape turbine. The experimental part dealing with hydrodynamics and flow field shows that the down-pumping operation mode with the draft tube has the most convenient results in the mixing mode with respect to turbulent flow field and mixing time. Whilst for the up-pumping aeration mode the hydrodynamics experimental results show the whole system configuration is the most convenient with regarded to mean velocities, turbulent flow intensity and mixing time. For the oxygen mass transfer experimental part, it is found that the highest standard liquid bulk aeration efficiency is achieved (SAEb = 2.65 kgO2 kw-1h-1) when the whole system configuration is used. The highest standard aeration efficiency at 20°C for the water spray zone is accomplished ((Esp)20 = 51.3 %) with the whole system configuration. Several correlations models have been derived for the oxygen mass transfer in water bulk and spray zones, power consumption and mixing time, on the basis of experimental results. They can be used as tools to estimate these parameters for geometrical and dynamical similar systems at industrial scales.

CNPq / O bloqueio de linhas de produção devido à formação de hidratos é uma das principais preocupações na garantia do escoamento em operações de produção de óleo e gás devido aos altos custos associados às paradas de produção. Os hidratos são formados pelo aprisionamento de moléculas de gás em uma gaiola de moléculas de água formada por ligações de hidrogênio. As condições de alta pressão e baixa temperatura necessárias para a formação de hidratos são frequentemente encontradas em cenários de produção no mar, sendo que o escoamento em golfadas é considerado o padrão de escoamento predominante. O presente trabalho utiliza uma abordagem em regime permanente para modelar a formação de dispersões homogêneas de hidrato-em-água durante o escoamento em golfadas em tubulações horizontais. O consumo das fases para a formação de hidratos é estimado em função da área interfacial gás-água e da temperatura de subresfriamento do sistema. O modelo de escoamento em golfadas é acoplado com: (i) termos de transferência de massa para recalcular as velocidades das estruturas das golfadas e (ii) termos de geração de calor, visto que a formação de hidratos é um processo exotérmico. O modelo foi implementado em linguagem Fortran90, utilizando lógica nodal de marcha. Comparações do modelo com dados experimentais da literatura apresentam desvios de aproximadamente ±20%. O modelo foi utilizado para analisar os efeitos da formação de hidratos sobre a hidrodinâmica e transferência de calor do escoamento em golfadas, analisando: velocidades (superficiais e das estruturas do escoamento em golfadas), pressão, temperatura, coeficiente de transferência de calor e geometria da célula unitária do escoamento em golfadas (comprimento das regiões características e frações de fase). O modelo também foi utilizado para analisar a influência das condições de entrada do escoamento (velocidade superficial da mistura, razão de líquido/mistura, pressão, uso de inibidores químicos) e de geometria da tubulação (diâmetro interno, espessura da parede, condutividade da parede) que retardam a formação de hidratos. Ao final, a influência da deposição de camadas de hidratos sobre o escoamento em golfadas (pressão, temperatura, velocidades, geometria da geometria da célula unitária) é analisado. / Hydrate formation is one of the main flow assurance concerns in offshore oil and gas production due to the high cost of production interruptions or impairments. Hydrates are formed by the imprisonment of gas molecules into hydrogen bonded cages of water molecules. The high pressure and low temperature conditions needed for hydrate formation are frequently found in offshore production scenarios, where slug flow is often the prevailing flow regime. The present work uses a steady-state approach for modeling homogeneous hydrate-in-water dispersion formation on horizontal slug flow in pipelines. The consumption of the phases during hydrate formation is estimated by a kinetic model in terms of the gaswater interfacial surface and the subcooling of the system. The slug flow model is coupled with: (i) mass transfer terms so as to recalculate the velocities of the slug flow structures and (ii) heat generation terms, since hydrate formation is an exothermic process. Comparisons of the model with experimental data present an average deviation of ±20%. The model was used to analyze the effects brought by hydrate formation over the slug flow hydrodynamics and heat transfer, analyzing: velocities (superficial and structure velocities), pressure, temperature, heat transfer coefficient and unit cell geometry (region lengths and phase fractions). The model was also used to analyze the influence of the pipe inlet conditions (mixture superficial velocity, liquid loading, pressure, use of chemical inhibitors) and of the pipeline geometry (internal diameter, wall width, wall thermal conductivity) in delaying hydrate formation. Finally, the influence of hydrate deposits on the slug flow behavior (pressure, temperature, velocities, unit cell geometry) is analyzed.

IBP; FINEP / Técnicas de medição de velocidade baseadas em ultrassom vem sendo muito utilizadas atualmente para o estudo de escoamentos de fluidos devido ao seu caráter não intrusivo. Em escoamentos bifásicos ar-água, a grande dificuldade na aplicação dessa metodologia é resolver a que fase pertence a velocidade medida. Esse problema envolve a tarefa de determinar a posição da interface líquido-gás. O algoritmo de estimação de velocidade denominado de Velocity Matched Spectrum (VMS) se diferencia dos demais por apresentar como resultado um espectro de velocidades para cada volume amostral interrogado. Neste trabalho um método baseado no formato dessa curva espectral da velocidade é utilizado para gerar um mapeamento espaço-temporal, o qual, após aplicação de filtros espaciais, resulta na detecção acurada da posição da interface água-ar. Para isso, um sistema de medição que utiliza o estimador VMS foi desenvolvido e validado através de um experimento de escoamento em cilindro girante e de um escoamento horizontal monofásico turbulento. A ascensão de bolhas em líquido estagnado apresenta dificuldades na detecção da fronteira água-ar devido às mudanças abruptas na inclinação da interface da bolha no seu movimento de subida. É mostrado que a técnica proposta apresenta um erro RMS entre 1,71 a 3,39 e uma probabilidade de falha na detecção e de falsa detecção entre 0,89% a 11,9% na determinação da posição espaço-temporal da interface água-ar de um escoamento externo de ascensão de bolhas em líquido estagnado. Mostra-se que a exatidão na determinação é mantida mesmo no caso de um transdutor obstruído por uma chapa metálica, ou então, emitindo externamente a uma tubulação de acrílico. / Ultrasonic measurement techniques for velocity estimation are currently widely used in flow study due to its non-intrusive nature. The difficulty on the application of this methodology to a two-phase air-water flow is in deciding from which phase the velocity data measured comes from. This problem involves the task of evaluating gas-liquid interface position. The algorithm known as Velocity Matched Spectrum (VMS) is a velocity estimator that stands out from other methods by returning a spectrum of velocities for each interrogated volume sample. In this work a method based on velocity spectrum curve shape is used to generate a spatial-temporal mapping, which, after spatial filtering, yields an accurate contour of the air-water interface. Therefore, a measurement system that implements VMS estimator was developed and validated through a rotating cylinder and a horizontal single-phase pipe turbulent flow experiments. Interface detection of free-rising bubbles in quiescent liquid presents some difficulties for interface detection due to abrupt changes in interface inclination. It is showed that the proposed technique yields a RMS error between 1.71 to 3.39 and a probability of detection failure or false detection between 0.89% to 11.9% in determining the spatial-temporal gas-liquid interface position in the flow of free rising bubbles in stagnant liquid. This result is valid for both free path and with transducer emitting through a metallic plate or a Plexiglas pipe.

ANP; FINEP; MCT; PETROBRAS / Escoamentos multifásicos estão presentes em diversos processos da natureza bem como em atividades industriais como em reatores químicos, plantas de geração de energia, e também na exploração, produção e transporte de petróleo e gás. Na produção de petróleo, é comum encontrar-se escoando pelos dutos, uma mistura que pode conter duas ou mais fases compostas por óleo, gás e água, assumindo diversos padrões de escoamentos com configurações espaciais distintas. Em muitos casos o tipo de escoamento determina a eficiência e segurança dos processos e equipamentos onde ocorrem. Em função disso, várias técnicas já foram desenvolvidas para realizar a investigação experimental de escoamentos em tubulações ou componentes industriais, no entanto, no caso específico do óleo cru, poucas técnicas foram desenvolvidas devido a suas particularidades, como por exemplo, sua alta viscosidade, que em alguns casos impossibilita o uso de técnicas intrusivas, bem como, por ser uma substância isolante eletricamente não é possível o uso de algumas técnicas de medição por impedância. O uso de técnicas ópticas, como por exemplo câmera de vídeo ou sensores ópticos no espectro visível também não pode ser utilizado devido a opacidade natural do petróleo nessa faixa do espectro. No entanto, o uso de técnicas de espectroscopia óptica demonstra ser uma importante técnica para a análise de diversas substâncias devido ao fato do espectro óptico ser único para cada substância, com isso, escolhendo-se um comprimento de onda apropriado, é possível fazer a investigação de uma determinada substância. No caso do óleo cru, ele possui uma alta transparência na faixa do infravermelho médio e distante, o que possibilitaria sua investigação. Juntamente com a espectroscopia óptica, a tomografia óptica é uma importante técnica para a análise de escoamentos bifásicos, por ser não intrusiva e não invasiva, juntamente com uma boa resolução espacial e temporal. Com isso, foram desenvolvidos nesse trabalho dois tomógrafos ópticos na faixa do infravermelho próximo (950 nm) com o intuito de demonstrar a aplicabilidade dessa técnica em escoamentos bifásicos água-ar vertical e horizontal. Também foram realizados diversos testes da transmitância no infravermelho médio (MIR), e testes iniciais de tomografia óptica no petróleo. Os resultados obtidos mostram que essa é uma técnica viável para o desenvolvimento de sensores que possam realizar a investigação de escoamentos que envolvem óleo cru. / Multiphase flows are present in many processes of nature as well as in industrial activities for instance in chemical reactors, power generation plants, as well as in exploration, production and transportation of oil and gas. In oil production, a mixture of two or more phases composed by oil, gas and/or water is commonly found. Such multiphase mixtures stream in pipes and equipment assuming different patterns with different spatial configurations. In numerous situations, flow behavior determines the efficiency and safety of processes and equipment inside which they occur. As a result, various techniques have been developed to investigate multiphase flows. However, in the specific case of crude oil, only a few techniques have been developed and even fewer found use in industrial applications so far. Crude oil is a substance completely opaque in the visible light spectrum. However, optical spectroscopy has proven an important technique for the analysis of several substances due to the fact that the optical spectrum is unique for each substance. In this way, it is possible to investigate different substances by choosing a suitable wavelength. In the case of crude oil, it presents a high transparency in the range of mid and far infrared, which allows for the development of non-invasive measuring techniques. Along with optical spectroscopy, optical tomography has proved an alternative technique for the analysis of flow. Thus, in this work two optical tomograph in the near infrared range (950 nm) were developed in order to demonstrate the feasibility of its use in the investigation of two-phase air-water flows. Several tests of light transmittance through crude oil were conducted in mid-infrared (MIR), as well as initial test of optical tomography in crude oil. The results obtained shown that this is a viable option for flow investigation involving crude oil.

BG - Brasil e do Instituto Brasileiro de Petróleo, Gás e Biocombustíveis / Escoamentos multifásicos estão presentes em diversas atividades industriais como na exploração, produção e transporte de petróleo e gás, onde é comum encontrar escoando por dutos uma mistura de óleo, gás e água. Em muitos casos, o tipo de escoamento determina a eficiência e segurança dos processos e equipamentos onde ocorrem. Com isso, investigações experimentais de escoamento multifásicos são de grande importância no auxilio do desenvolvimento de modelos teóricos e na validação de predições realizadas por simulações, ampliando o entendimento do fenômeno. No passado algumas técnicas para investigação de escoamentos multifásicos foram propostas e aplicadas. Contudo, estas técnicas, na sua maioria, estão limitadas a investigação de escoamentos envolvendo apenas duas fases. Neste trabalho, foi proposta uma nova eletrônica para operar um sensor de malha de eletrodos (Wire-Mesh Sensor) que é capaz de investigar escoamentos contendo até três fases. Inicialmente proposto para visualização de escoamentos bifásicos, o sensor wire-mesh realiza o imageamento da distribuição de fases de uma seção transversal. Com a passagem do escoamento através do sensor, o mapeamento das fases é realizado de forma intrusiva com alta resolução temporal e espacial. Para possibilitar seu uso em escoamentos trifásicos, neste trabalho foi desenvolvida uma nova eletrônica capaz de medir simultaneamente a permissividade elétrica e a condutividade elétrica do fluido presente entre os eletrodos do sensor. O princípio básico do funcionamento é baseado na excitação com duas frequências distintas. Além do hardware foi também desenvolvido um software, onde é possível salvar os dados adquiridos em uma base de dados para futuros estudos. O desempenho da nova eletrônica foi verificado através de medições em componentes (rede RC) com valores de referência. O sistema completo foi utilizado para gerar imagens de uma mistura trifásica ar-óleo-água em condições estáticas e dinâmicas, apresentando bons resultados. Desta forma, a principal contribuição deste trabalho é a disponibilização de uma nova ferramenta para análise de escoamentos multifásicos. / Multiphase flows are present in many industrial activities such as in exploration, production and transportation of oil and gas, in which is common to find a mixture of oil, gas and water flowing inside pipes. In many cases this type of flow determines the efficiency and safety of the processes and equipment where they occur. In this way, experimental investigations of multiphase flow are of great value to develop new theoretical models and to validate predictions made by computer simulations, hence increasing the understanding of the flow phenomena. In this work, a new measuring electronics to operate a wire-mesh sensor (WMS) is introduced. Initially proposed for visualization of two-phase flow, the WMS performs the imaging of the phase distribution of a cross section based on the multiplexed measurement of an electrical property of the fluid in contact with the mesh grid of the sensor. With the passage of flow through the sensor, the phase mapping is realized by intrusive electrodes at high temporal and spatial resolution. To allow its use in multiphase flows, the new electronics developed in this work simultaneously measures the electrical permittivity and electrical conductivity of the media in the mesh grid. The basic idea is to activate the electrodes with a signal composed of two distinct frequencies. Besides the development of the electronics' hardware, a software was also implemented, by which data can be acquired and for future investigation. The performance of the new instrument has been verified by use of components (RC network) with reference values. The developed system was used to generate images of a multiphase mixture of air-oil-water in static and dynamic conditions, showing good results. Thus, the main contribution of this work is to make available a new tool for the investigation of multiphase flows.

ANP; FINEP; MCT; PETROBRAS / Escoamentos multifásicos estão presentes em diversos processos da natureza bem como em atividades industriais como em reatores químicos, plantas de geração de energia, e também na exploração, produção e transporte de petróleo e gás. Na produção de petróleo, é comum encontrar-se escoando pelos dutos, uma mistura que pode conter duas ou mais fases compostas por óleo, gás e água, assumindo diversos padrões de escoamentos com configurações espaciais distintas. Em muitos casos o tipo de escoamento determina a eficiência e segurança dos processos e equipamentos onde ocorrem. Em função disso, várias técnicas já foram desenvolvidas para realizar a investigação experimental de escoamentos em tubulações ou componentes industriais, no entanto, no caso específico do óleo cru, poucas técnicas foram desenvolvidas devido a suas particularidades, como por exemplo, sua alta viscosidade, que em alguns casos impossibilita o uso de técnicas intrusivas, bem como, por ser uma substância isolante eletricamente não é possível o uso de algumas técnicas de medição por impedância. O uso de técnicas ópticas, como por exemplo câmera de vídeo ou sensores ópticos no espectro visível também não pode ser utilizado devido a opacidade natural do petróleo nessa faixa do espectro. No entanto, o uso de técnicas de espectroscopia óptica demonstra ser uma importante técnica para a análise de diversas substâncias devido ao fato do espectro óptico ser único para cada substância, com isso, escolhendo-se um comprimento de onda apropriado, é possível fazer a investigação de uma determinada substância. No caso do óleo cru, ele possui uma alta transparência na faixa do infravermelho médio e distante, o que possibilitaria sua investigação. Juntamente com a espectroscopia óptica, a tomografia óptica é uma importante técnica para a análise de escoamentos bifásicos, por ser não intrusiva e não invasiva, juntamente com uma boa resolução espacial e temporal. Com isso, foram desenvolvidos nesse trabalho dois tomógrafos ópticos na faixa do infravermelho próximo (950 nm) com o intuito de demonstrar a aplicabilidade dessa técnica em escoamentos bifásicos água-ar vertical e horizontal. Também foram realizados diversos testes da transmitância no infravermelho médio (MIR), e testes iniciais de tomografia óptica no petróleo. Os resultados obtidos mostram que essa é uma técnica viável para o desenvolvimento de sensores que possam realizar a investigação de escoamentos que envolvem óleo cru. / Multiphase flows are present in many processes of nature as well as in industrial activities for instance in chemical reactors, power generation plants, as well as in exploration, production and transportation of oil and gas. In oil production, a mixture of two or more phases composed by oil, gas and/or water is commonly found. Such multiphase mixtures stream in pipes and equipment assuming different patterns with different spatial configurations. In numerous situations, flow behavior determines the efficiency and safety of processes and equipment inside which they occur. As a result, various techniques have been developed to investigate multiphase flows. However, in the specific case of crude oil, only a few techniques have been developed and even fewer found use in industrial applications so far. Crude oil is a substance completely opaque in the visible light spectrum. However, optical spectroscopy has proven an important technique for the analysis of several substances due to the fact that the optical spectrum is unique for each substance. In this way, it is possible to investigate different substances by choosing a suitable wavelength. In the case of crude oil, it presents a high transparency in the range of mid and far infrared, which allows for the development of non-invasive measuring techniques. Along with optical spectroscopy, optical tomography has proved an alternative technique for the analysis of flow. Thus, in this work two optical tomograph in the near infrared range (950 nm) were developed in order to demonstrate the feasibility of its use in the investigation of two-phase air-water flows. Several tests of light transmittance through crude oil were conducted in mid-infrared (MIR), as well as initial test of optical tomography in crude oil. The results obtained shown that this is a viable option for flow investigation involving crude oil.

BG - Brasil e do Instituto Brasileiro de Petróleo, Gás e Biocombustíveis / Escoamentos multifásicos estão presentes em diversas atividades industriais como na exploração, produção e transporte de petróleo e gás, onde é comum encontrar escoando por dutos uma mistura de óleo, gás e água. Em muitos casos, o tipo de escoamento determina a eficiência e segurança dos processos e equipamentos onde ocorrem. Com isso, investigações experimentais de escoamento multifásicos são de grande importância no auxilio do desenvolvimento de modelos teóricos e na validação de predições realizadas por simulações, ampliando o entendimento do fenômeno. No passado algumas técnicas para investigação de escoamentos multifásicos foram propostas e aplicadas. Contudo, estas técnicas, na sua maioria, estão limitadas a investigação de escoamentos envolvendo apenas duas fases. Neste trabalho, foi proposta uma nova eletrônica para operar um sensor de malha de eletrodos (Wire-Mesh Sensor) que é capaz de investigar escoamentos contendo até três fases. Inicialmente proposto para visualização de escoamentos bifásicos, o sensor wire-mesh realiza o imageamento da distribuição de fases de uma seção transversal. Com a passagem do escoamento através do sensor, o mapeamento das fases é realizado de forma intrusiva com alta resolução temporal e espacial. Para possibilitar seu uso em escoamentos trifásicos, neste trabalho foi desenvolvida uma nova eletrônica capaz de medir simultaneamente a permissividade elétrica e a condutividade elétrica do fluido presente entre os eletrodos do sensor. O princípio básico do funcionamento é baseado na excitação com duas frequências distintas. Além do hardware foi também desenvolvido um software, onde é possível salvar os dados adquiridos em uma base de dados para futuros estudos. O desempenho da nova eletrônica foi verificado através de medições em componentes (rede RC) com valores de referência. O sistema completo foi utilizado para gerar imagens de uma mistura trifásica ar-óleo-água em condições estáticas e dinâmicas, apresentando bons resultados. Desta forma, a principal contribuição deste trabalho é a disponibilização de uma nova ferramenta para análise de escoamentos multifásicos. / Multiphase flows are present in many industrial activities such as in exploration, production and transportation of oil and gas, in which is common to find a mixture of oil, gas and water flowing inside pipes. In many cases this type of flow determines the efficiency and safety of the processes and equipment where they occur. In this way, experimental investigations of multiphase flow are of great value to develop new theoretical models and to validate predictions made by computer simulations, hence increasing the understanding of the flow phenomena. In this work, a new measuring electronics to operate a wire-mesh sensor (WMS) is introduced. Initially proposed for visualization of two-phase flow, the WMS performs the imaging of the phase distribution of a cross section based on the multiplexed measurement of an electrical property of the fluid in contact with the mesh grid of the sensor. With the passage of flow through the sensor, the phase mapping is realized by intrusive electrodes at high temporal and spatial resolution. To allow its use in multiphase flows, the new electronics developed in this work simultaneously measures the electrical permittivity and electrical conductivity of the media in the mesh grid. The basic idea is to activate the electrodes with a signal composed of two distinct frequencies. Besides the development of the electronics' hardware, a software was also implemented, by which data can be acquired and for future investigation. The performance of the new instrument has been verified by use of components (RC network) with reference values. The developed system was used to generate images of a multiphase mixture of air-oil-water in static and dynamic conditions, showing good results. Thus, the main contribution of this work is to make available a new tool for the investigation of multiphase flows.