Orientadores: Leonardo Goldstein Junior, Emerson dos Reis / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-15T08:49:00Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Galdiano_EderdosSantos_M.pdf: 3731509 bytes, checksum: 5415460955079bfdf8773ebcc4ee6500 (MD5) Previous issue date: 2010 / Resumo: Esse trabalho é uma contribuição ao estudo de uma sonda não-intrusiva para medição da espessura da camada anular de escoamentos bifásicos óleo-água - core-flow. É discutida a construção do sensor capacitivo da sonda. Dela são avaliados o desempenho estático, numa bancada construída para este fim, e o dinâmico na presença de escoamento numa bancada existente no Laboratório de Petróleo (LabPetro). Através dos testes estáticos, foram obtidas informações sobre a resposta da sonda: formato da curva de resposta, sensibilidade, faixa de medição, e estudou-se o efeito da condutividade da água. Os dados experimentais foram comparados com resultados de simulação numérica obtidos por outro autor. Nos testes dinâmicos, foi utilizada uma técnica de medição da espessura da camada de água através de imagens de filmagens registradas do escoamento, sendo que estes dados foram comparados com os obtidos com a sonda capacitiva, assim permitindo a avaliação do seu desempenho no escoamento. Os resultados demonstram potencial do sistema proposto, mas também apontam para a necessidade de novos estudos e aperfeiçoamentos / Abstract: This work is a contribution to the study of a non-intrusive probe for measurement of the thickness of the water layer of a core-annular flow. A capacitive probe was built and its static performance was evaluated from tests executed in a specially designed bench-scale apparatus. In addition, evaluation of the dynamic performance was made possible from fluid-flow tests in a multiphase flow loop. From the static tests information was obtained about the probe output: shape of the produced response, sensitivity, range and the water electrical conductivity effect. The experimental data were compared with results of a numerical simulation available from a different author. In the dynamic tests the measurement technique used to obtain the thickness of the annular water layer consisted of a sequence of photographic images from a fast camera. The results were compared with those from the capacitive probe, allowing the evaluation of its performance in the presence of fluid flow. The results demonstrate the potential of the considered system, but they also point out to the necessity of new studies and development / Mestrado / Termica e Fluidos / Mestre em Engenharia Mecânica

Neste trabalho estudou-se a modelagem termodinâmica do equilíbrio de fases de sistemas aquosos bifásicos formados por um polímero neutro, especificamente o poli(etileno glicol), e um sal. O modelo implementado é baseado na equação de Pitzer para soluções de eletrólitos, dele diferindo ao considerar a influência das propriedades do polímero no cálculo da constante dielétrica e da densidade do meio, presentes no cálculo do termo relativo às interações de longo alcance da energia de Gibbs excedente. Além disso, procurou-se também considerar a dependência dos parâmetros relativos ao polímero com respeito ao tamanho de sua cadeia. Dados experimentais obtidos da literatura foram utilizados para a obtenção dos parâmetros ajustáveis do modelo, em cuja implementação foi utilizada a linguagem FORTRAN. A alteração nas propriedades do meio modificou o estado de equilíbrio calculado, fato que pôde ser observado por meio da análise de fatores como o desvio entre a composição calculada pelos modelos e os valores experimentais em cada fase e a inclinação da linha de amarração. Em alguns sistemas o desempenho do modelo modificado foi superior nesses parâmetros, mas em termos gerais a modificação no cálculo da constante dielétrica e da densidade não resultou em melhora no cálculo do equilíbrio de fases, por vezes piorando-o, de modo que investigações específicas sobre o termo de longo alcance foram conduzidas para verificar a razão deste comportamento. A inclusão de parâmetros ternários aumentou a capacidade de correlação de ambos os modelos. No que diz respeito à possibilidade de correlação dos parâmetros de interação como função do tamanho da cadeia polimérica, que poderia levar a um modelo preditivo, observou-se que somente para tamanhos grandes de cadeia foi possível estabelecer uma dependência direta e inequívoca. / The thermodynamic modeling of phase equilibrium in aqueous two phase systems containing the neutral polymer poly(ethylene glycol) and a salt was studied in this work. The implemented model is based on the Pitzer equation for electrolytes solutions, modified in order to account for the influence of polymer properties in both the medium dielectric constant and the medium density, values which are present in long range term of the excess Gibbs energy. The dependence of the adjustable parameters on the polymer molecule size was also investigated. Experimental data from literature were used to obtain the adjustable parameters of the model, in whose implementation the FORTRAN computer language was used. The changes introduced into the long range term resulted in a shift of the calculated equilibrium compositions, which could be observed by analyzing the deviation between calculated and experimental compositions and tie-line slopes. For some systems the performance of the modified model was superior, but in most cases the changes introduced did not result in a significant improvement in phase equilibrium calculations, and even worsened them. Specific investigations on the long range term were carried out to verify the reason for such behavior. The insertion of ternary parameters increased the correlation capacity of both models. Concerning the hypothesis that the interaction parameters can be directly related to the polymer chain size, which might eventually lead to a predictive model, it was noticed that a direct dependency holds only for larger chain sizes.

A presente dissertação de mestrado envolve o estudo da perda da pressão e dos padrões para escoamentos água/ar em um canal retangular segundo inclinações a partir do plano horizontal de -90° a 90°. Também foi avaliado o efeito nestes parâmetros de rotacionar a seção de testes em torno de seu eixo axial segundo ângulos de 45° e 60°, determinados a partir da condição de suas faces superior e inferior posicionadas horizontalmente. O texto se inicia com a apresentação de um amplo estudo da literatura sobre métodos de previsão de padrões de escoamento e perda de pressão durante escoamentos bifásicos no interior de dutos. Em seguida é descrito o aparato experimental projetado e construído para este estudo. Tal descrição inclui o detalhamento da seção de testes, que consiste em um canal retangular de seção transversal com dimensões de 6,0 x 6,5 mm². Resultados foram levantados para vazões mássicas entre 90 e 760 kg/m²s, correspondendo a velocidades superficiais entre 0,03 a 19,42 m/s e 0,1 a 0,76 m/s, para, respectivamente as fases gás e líquido. Mapas de escoamento foram desenvolvidos com base em imagens capturadas por câmera de alta velocidade, e também com base na técnica de agrupamento de dados k-means. Os escoamentos foram classificados segundo os padrões bolhas, intermitente e anular. As características hidrodinâmicas e as transições entre estes padrões foram significativamente alteradas pela inclinação do canal. Constatou-se também significativa influência da rotação em torno do eixo do canal, favorecendo efeitos de estratificação no escoamento. As transições obtidas experimentalmente foram comparadas com os métodos de previsão disponíveis na literatura. Os métodos de Taitel e Dukler (1976), para escoamento horizontal, e Taitel et al. (1980) para escoamento vertical ascendente, apresentaram as melhores previsões dos dados experimentais. Com o objetivo de estimar a parcela gravitacional da perda de pressão, levantou-se resultados para a fração de vazio superficial avaliada com base na velocidade média de bolhas alongadas e no tratamento de imagens no caso do escoamento em bolhas. Resultados de perda de pressão por atrito foram comparados com vinte métodos de previsão da literatura. As correlações de Mishima e Hibiki (1996) e Zhang et al. (2010) proporcionaram as melhores previsões para escoamento horizontal. Para escoamentos inclinados, comparou-se 25 métodos da literatura para a determinação da perda de pressão por atrito com os resultados de perda de pressão experimentais, com a perda de pressão gravitacional estimada considerando 20 métodos para a fração de vazio superficial. Desta análise constatou-se que a combinação dos métodos de Mishima e Hibiki (1996) e Zhang et al. (2010) para a previsão da parcela de perda de pressão devido ao atrito e o método de Spedding e Chen (1984) para previsão da fração de vazio superficial, utilizado para a determinação da parcela gravitacional, proporcionam previsões satisfatórias dos dados experimentais. / The present dissertation concerns a study on pressure drop and flow patterns for air/water flows inside a rectangular channel positioned according to inclination angles, relative to the horizontal plane, from -90° to 90°. The effects on flow patterns and pressure drop of rotating the test section relative to its longitudinal axis according to angles of 45° and 60° are also evaluated. Initially, a broad review of the literature concerning experimental studies and predictive methods for flow pattern and pressure drop inside channels is presented. Then, the experimental facility developed for this study is described. In this description, the test section, consisting of a rectangular channel with cross-sectional area of 6.0 x 6.5 mm² is detailed. Experimental data were obtained for mass velocities from 90 to 760 kg/m²s, corresponding to gas and liquid superficial velocities from 0.03 to 19.4 m/s and from 0.1 to 0.76 m/s, respectively. Flow patterns maps were developed based on the following approaches: analyses of two-phase flow images from a high speed video camera; and using the k-means clustering algorithm based on pressure drop and optical signals. The bubbly, intermittent and annular flow patterns were characterized. From the analyses of the data, it was found that the flow pattern transitions are significantly affected by the flow inclination and channel rotation. Two-phase flow stratification effects are enhanced by rotating the channels. Among the flow pattern predictive method evaluated in the present study, Taitel and Dukler (1976), for horizontal channels, and Taitel et al. (1980), for upward flow, provided the best predictions of the data obtained in the present study. In order of estimating the gravitational parcel of the pressure drop, superficial void fraction results were obtained based on the mean velocity of elongated bubbles, for intermittent flow, and on the image processing of bubbles, for bubbly flow. Experimental results for frictional pressure drop were compared against 20 predictive methods available in the literature. The methods of Mishima e Hibiki (1996) and Zhang et al. (2010) performed the best for horizontal flows. The frictional pressure drop predictions were also evaluated for inclined flows by comparing the measured total pressure drop against the corresponding calculated values based on the combination of 25 frictional pressure drop predictive methods and the gravitational parcel of pressure drop estimated according to 20 predictive methods for superficial void fraction. From this analysis, it was found that the combination of Mishima e Hibiki (1996) and Zhang et al. (2010) methods for frictional pressure drop with the method of Spedding e Chen (1984), for void fraction, used to determine the gravitational parcel, provide satisfactory predictions of the experimental data.

Escoamentos gás-líquido assim como escoamento líquido-líquido-gás em duto de geometria anular estão presentes em muitas aplicações industriais, por exemplo, em poços de petróleo direcionais. No entanto, até mesmo características globais de escoamento gás-líquido nessa geometria, como os padrões de escoamento ou gradiente de pressão, não são ainda totalmente compreendidas. E ainda, informações são escassas quando se refere a escoamento trifásico nessa geometria, cuja aplicação está relacionada ao fenômeno de inversão de fase, que é de extrema importância não apenas para ao setor petrolífero, como para a indústria alimentícia. O presente estudo experimental tem como objetivo avaliar o escoamento líquido-gás, apresentar dados inéditos de escoamento gás-líquido para três viscosidades de óleo, além de avaliar o fenômeno de inversão de fase em escoamento ascendente vertical em duto anular de grande diâmetro. Um aparato experimental inclinável com 10,5 m de comprimento foi projetado e construído para este trabalho. As dimensões radiais do duto anular estão em escala real, conforme se verifica em poços de petróleo e gás. A investigação em escoamento gás-líquido foi conduzida utilizando água, óleo e ar comprimido como fluidos de trabalho em escoamento ascendente vertical em duas geometrias: (i) um tubo com diâmetro de 95 mm e (ii) um duto de configuração anular e concêntrico, com diâmetro hidráulico de valor igual ao diâmetro do tubo. A avaliação do fenômeno de inversão de fase em escoamento trifásico foi conduzida em condições equivalentes em três geometrias: (i) tubo vertical menor com diâmetro de 50 mm, (ii) tubo com diâmetro de 95 mm e (iii) um duto anular concêntrico. Padrões de escoamento, queda de pressão e fração volumétrica de fase foram obtidos para ambos os escoamentos gás-líquido e líquido-líquido-gás. Os dados coletados nesse trabalho são de grande importância para o desenvolvimento de novas correlações de fechamento, que são essenciais para o projeto otimizado de poços de petróleo. Dados inéditos de escoamento bifásico óleo-gás são apresentados, bem como um estudo pioneiro em inversão de fase em escoamento trifásico com velocidade superficial de gás e viscosidade do óleo elevadas. / Two-phase flows as well as three-phase flow in annular geometry are present in many industrial applications, for example in oil directional wells. However, even global characteristics of gas-liquid flow in this geometry, such as flow patterns and pressure gradient are not fully understood. Moreover, information is scarce when it refers to three-phase flow in this geometry, which application is related to the phase inversion phenomenon, which is of extreme importance and not only for the oil industry. This experimental study aims to evaluate the liquid-gas flow, present new data from gas-liquid flow for three oil viscosities and evaluate the phase inversion phenomenon in vertical upward flow in large diameter annular duct. An experimental apparatus with 10.5 m length was designed and built for this work. The radial dimensions of the annular duct are similar to full scale, as observed in oil and gas wells. The investigation into gas-liquid flow was conducted using water, oil and compressed air as working fluids in an ascending vertical flow in two geometries: (i) a tube with 95 mm diameter and (ii) a concentric annular duct with hydraulic diameter equivalent to the tube internal diameter. The evaluation of the phase inversion phenomenon in three-phase flow was conducted under equivalent conditions for three geometries: (i) smaller vertical tube with 50 mm of internal diameter, (ii) tube with 95 mm of internal diameter and (iii) concentric annular duct with hydraulic diameter of 95 mm. Flow patterns, pressure drop and volumetric phase fraction were obtained for both gas-liquid and gas-liquid-liquid flows. The data collected in this study are of great importance for the development of new closing correlations, which are essential for the optimized design of oil wells. New two-phase flow data for three oil viscosities, not found in the literature, are presented as well as a pioneer study in three-phase-flow phase inversion with high oil viscosity and high superficial gas velocity.

Orientador: Rosângela Barros Zanoni Lopes Moreno / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica e Instituto de Geociências / Made available in DSpace on 2018-08-23T09:28:13Z (GMT). No. of bitstreams: 1 BonillaSanabria_FabianCamilo_M.pdf: 7814055 bytes, checksum: 6037ae62c4e94a0903183711290b83a9 (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: Os surfactantes são utilizados para diferentes propósitos na indústria do petróleo. As formulações de recuperação avançada utilizando surfactantes são aplicadas visando incrementar o fator de recuperação em reservatórios de óleo, tanto na etapa de recuperação secundária como na etapa terciária. Através de poços injetores, os volumes requeridos de uma solução aquosa com uma concentração definida de surfactante são introduzidos no reservatório para induzir à geração de um novo banco de óleo móvel por meio da diminuição da tensão interfacial água-óleo. Tensões interfaciais ultra baixas são obtidas e, consequentemente, o número capilar e a recuperação de óleo são incrementados. A eficiência do processo de deslocamento é influenciada por várias características das soluções de surfactantes, incluindo o comportamento de fases, a tensão interfacial, a concentração de eletrólitos em solução (salinidade) e a adsorção à superfície sólida da rocha. Assim sendo, um projeto de injeção de surfactantes deve ser planejado adequadamente para a obtenção do melhor cenário para a implementação da técnica. Este trabalho mostra um processo metodológico para identificar e avaliar formulações de surfactantes a serem aplicadas como método de recuperação química. Três surfactantes aniônicos e dois surfactantes não-iônicos foram selecionados da literatura para a análise experimental: Dodecil Sulfato de Sódio (SDS), Dodecil Sulfato de Amônio (ADS), Lauriléter Sulfato de Sódio (SLES), Monolaurato de sorbitano (SPAN-20) e o Polisorbato-20 (TWEEN-20). Álcool isopropílico foi utilizado como cosurfactante e poliacrilamida parcialmente hidrolisada (HPAM) foi empregada na solução polimérica usada para deslocar o banco de óleo formado e corroborar com a avaliação das formulações de surfactante. Inicialmente, utilizando-se tensiometria ótica, foram feitas medições de tensão superficial das soluções de surfactante para identificar a Concentração Micelar Crítica (CMC) característica de cada surfactante. A partir dos resultados de tensão interfacial obtidos e seguindo-se com o processo metodológico, foram selecionadas as formulações a serem analisadas nos Testes de Comportamento de Fases. Estes testes foram conduzidos com diferentes formulações de surfactante e uma mistura de óleo de campo e querosene. As soluções aquosas e o óleo foram colocados em pipetas de 5 ml para a análise do comportamento das formulações de surfactante em uma dada faixa de salinidade. Entre as formulações analisadas, algumas foram selecionadas para a avaliação da recuperação avançada de óleo através de testes de deslocamento. Estes testes foram conduzidos em amostras de arenito de alta permeabilidade provenientes da formação Botucatu. Uma vez que nesses arenitos, o fenômeno de histerese pode ser negligenciado, é possível conduzir um processo de injeção de água convencional (embebição) seguido de um processo de injeção de óleo (drenagem) visando restaurar as saturações dos fluidos no meio poroso próximas daquelas obtidas no processo da saturação inicial. Finalmente, a eficiência do método de recuperação melhorada é determinada injetando-se um banco de uma formulação de surfactante de tamanho definido. O banco de surfactante é deslocado ao longo do meio poroso utilizando soluções poliméricas e/ou água. Os resultados sugerem que os surfactantes podem ser utilizados com os requerimentos técnicos para a aplicação como método de recuperação avançada em reservatórios de arenitos / Abstract: Surfactants have been used for many purposes in petroleum industry. EOR surfactants formulations are applied for increasing the recovery factor in oil reservoirs as both secondary and tertiary techniques. By injector wells, required volumes are introduced into the reservoir with surfactant formulations for developing a new stabilized oil bank via ultralow interfacial tension between oil and water phases. Ultralow Interfacial tensions are obtained and, consequently, capillary number and oil recovery are increased. There are several surfactants characteristics involved with the efficiency of the process including phase behavior, IFT (Interfacial Tension), electrolyte concentration and rock solid adsorption. Therefore, it's necessary to design properly the project to obtain the best scenario for implementing the technique. This research work shows an applied methodological process for screening, designing and testing surfactant formulations on reservoir sandstones. Three commercial anionic surfactants and two commercial non-ionic surfactants were selected from literature for experimental analysis: Sodium dodecyl sulfate (SDS), Ammonium dodecyl sulfate, Sodium laureth sulfate (SLES), Sorbitan Monolaurate (SPAN-20) and Polysorbate-20 (TWEEN-20). Isopropyl alcohol (2-propanol) was also used as co-surfactant for testing the surfactant formulations. Initially, it was performed surface tensions measurements to identify the critical micellar concentration (CMC) characteristic of each surfactant, using a pendant drop tensiometer. After determining interfacial tensions (IFT), some of the tested formulations were selected for conducting phase behavior tests with field oil and kerosene mixture. Phase behavior tests were conducted by adding brine solutions and crude oil in 5 ml pipettes to analyze the performance of the chemical formulations over a range of salinities. Again, some selected surfactant formulations were tested for enhanced oil recovery using coreflood tests in high permeability Botucatu Formation samples. Since hysteresis phenomena are not significant on these sandstone cores, it's possible to perform a waterflooding followed by another drainage process for returning the porous media saturations close to the initial values. Subsequently, Enhanced Oil recovery is determined by injecting a slug of the surfactant formulation followed by brine, in a new imbibition process. The results suggest that surfactants can be used according technical requirements for their application in sandstones reservoirs as enhanced oil recovery technique / Mestrado / Reservatórios e Gestão / Mestre em Ciências e Engenharia de Petróleo

Orientador: Rosângela Barros Zanoni Lopes Moreno / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica e Instituto de Geociências / Made available in DSpace on 2018-08-20T17:50:59Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Zampieri_MarceloFerreira_M.pdf: 9750588 bytes, checksum: f5ef8cf9e287b3bac73e8d369efd1839 (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: O desenvolvimento de métodos de recuperação é extremamente importante para a explotação de petróleo e a escolha entre diferentes métodos pode representar grande diferença na análise de oportunidades e no desenvolvimento dos campos. No método convencional por injeção de água objetiva-se a manutenção de pressão do reservatório e a produção do óleo se dá pelo deslocamento mecânico entre os fluidos. O fluido deslocante (água) tende a ocupar gradualmente o espaço do fluido deslocado (óleo), ficando uma parcela de óleo residual, devido aos efeitos capilares. Entretanto, a depender da razão de mobilidade, a saturação de óleo residual só é atingida após a injeção de quantidades muito grandes de água. A adição de polímero à água de injeção tem o objetivo de aumentar a viscosidade da água e melhorar a razão de mobilidade água/óleo, uniformizando assim a frente de avanço, e melhorando a eficiência de varrido. Uma técnica que vem sendo investigada e é propósito deste trabalho é analisar a injeção de bancos alternados de solução polimérica e água em certos intervalos de tempo. Desta forma os bancos surgem como uma alternativa econômica, pois a injeção contínua de solução polimérica é um processo caro. Reservatórios de petróleo candidatos à utilização de polímeros para recuperação devem atender a alguns critérios de seleção. Neste trabalho, foram utilizados testemunhos do Arenito Botucatu, solução salina NaI, óleo de parafina comercial, e solução polimérica à base de poliacrilamida parcialmente hidrolizada (HPAM). Um porta-testemunho especial foi utilizado para a realização dos testes de deslocamento, sendo monitoradas as pressões ao longo da amostra, além de massas e volumes de injeção e de produção dos fluidos durante o tempo. Foram realizados quatro testes para analisar a influência da injeção de água, polímeros e injeção alternada de bancos de água e de polímeros, sendo ao final comparados os resultados para cada condição de teste. Primeiramente todas as amostras foram submetidas à injeção de água e após a re-saturação com óleo, as mesmas foram submetidas às seguintes condições: injeção contínua de solução polimérica no primeiro e terceiro testes; banco de solução polimérica seguido por banco de água no segundo teste; e por último, dois ciclos alternados de polímero e água. Foram encontrados melhores resultados para a utilização de polímeros e de bancos de água e polímeros em relação à injeção de água / Abstract: Developing an efficient methodology for oil recovery is extremely important in this commodity industry, which may indeed lead to wide spread profitability. In a conventional water injection method, oil displacement occurs by mechanical behavior between fluids. Water tends to take up oil space, gradually leaving a portion of residual oil due to capillary effect. Nevertheless, depending on mobility ratio, a huge quantity of injected water is necessary. Polymer solution injection aims at increasing water viscosity and improving the oil/water mobility ratio, thus smoothing advance front and improving sweep efficiency. A new technique which has been investigated and is also the subject of this investigation is Polymer Alternate Water Injection at specific intervals of time and sequence. By doing so, the bank serves as an economic alternative, since injecting polymer solution is an expensive process. When considering polymer recovery technology, petroleum reservoir candidates should exercise screening criteria. Experiments presented here were conducted using core samples of sandstones and NaI saline solutions, paraffin oil, and HPAM solutions (partially hydrolyzed polyacrylamide). The injections were performed through a core-holder with pressure monitoring along the sample, collecting mass and volumes of injected and produced fluids over time. Four experiments were conducted in order to compare continuous water injection, continuous polymer injection and polymer alternate water injection. Primarily every core sample was submitted to continuous water injection. After oil re-saturation, tests included the following injection conditions: continuous polymer injection in the first and third test; polymer bank followed by a water bank in the second test; and in the fourth test, two cycles of polymer alternate water. By comparing normalized results for each condition, it was possible to reach favorable results for polymer alternate water solution methodology, demonstrating the positive benefits of the method applied / Mestrado / Reservatórios e Gestão / Mestre em Ciências e Engenharia de Petróleo

Orientador: Niederauer Mastelari / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-21T01:52:02Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Danes_LeandroHenschel_M.pdf: 2871625 bytes, checksum: b9af585f9ca0d24b08f2435b57a913bc (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: Uma mistura de gás e liquido escoando em um tubo em diferentes faixas de vazões se comporta como diferentes padrões de escoamento, em que interações cinemáticas e dinâmicas especificas de cada padrão, ocorrem entre gás e liquido. A estimação de dados sobre a velocidade media de deslocamento e a vazão de ambas as fases depende da aplicação de estratégias estatísticas de e de modelos de escoamento para calcular estas informações. Neste trabalho, um sensor de impedância que, se devidamente calibrado, possui sinal proporcional ao nível de liquido na seção transversal do duto, foi utilizado para a obtenção destes dados sendo desenvolvidas técnicas e estratégias para alcançar este objetivo. O estudo foi desenvolvido no regime de escoamento horizontal água-ar nos regimes de bolhas alongadas, estratificado intermitente. Foram utilizadas técnicas para a obtenção da velocidade media de deslocamento do escoamento bifásico a partir de um arranjo de dois sensores de impedância em serie. Foi utilizada a técnica da correlação cruzada e foram elaboradas e apresentadas como opção, uma técnica baseada no calculo numérico e outra na covariância entre os sinais como alternativa. As técnicas foram testadas e comparadas. Foram utilizados modelos de escoamento e levantadas hipóteses para a estimativa das vazões de gás e liquido. Foram realizadas estimativas para o padrão de bolhas alongadas, estratificado e intermitente. Para o regime intermitente, considerado foco do estudo, foram obtidas respectivamente para gás e liquido, margens de erro de 24.4% e 28% considerando um perfil de escoamento constante e margens de 12.5% e 20.5% para um perfil laminar / Abstract: A gas-liquid moisture flowing in a tube at different flow rates , behaves as different flow patterns, which cinematic and dynamic interactions occurs between the gas and liquid phases. The estimation of average displacement rate data and flow data for both phases depends of the application of statistical strategies and floe models for calculating the information. In this work, a impedance sensor which, is correctly calibrated, has a proportional out to the liquid level of the tube cross section, was used for obtaining these data with techniques and strategies developed to achieve this goal. The study was developed for horizontal air-water flow at the bubbles, stratified and slug patterns. It was used techniques for obtaining the average displacement speed of the flow between the two sensors. The cross-correlation technique was used and a numeric calculus based technique and a covariance based technique were elaborated and presented as an option. The techniques were tested and compared. Flow-models were used and hypothesis were take in order to make estimations of gas and liquid flow magnitude. Estimatives were done for the elongated bubbles , stratified and slug patterns. For the slug pattern ,focus of the work, it was obtained respectively for the gas and the liquid phase, error margins of 24,4% and 28% considering a constant flow profile and 12.5% and 20.5% margins considering a laminar flow profile / Mestrado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Mestre em Engenharia Mecânica

Les récentes avancées technologiques des matériels d’acquisition de données ont permis de réduire le temps d’acquisition d’image en tomographie électrique, ce qui offre des opportunités pour l’étude des écoulements diphasiques transitoires. Parmi les nombreux atouts de cette technique d’imagerie d’écoulements diphasiques, on peut citer son caractère non-intrusif, sa haute fréquence d’acquisition et son faible coût. Un ensemble d’électrodes placées sur le pourtour d’une conduite servent à transmettre une excitation électrique au milieu et à le sonder. Ainsi, la distribution des phases perturbe les champs électriques de manière caractéristique. L’objectif de cette thèse est d’évaluer le potentiel de la tomographie d’impédance électrique rapide. La première étape consiste au développement d’un prototype de capteur et à l’évaluation de sa performance par des essais simplifiés. L’architecture du système utilise un contrôle en potentiel du signal d’excitation et ne nécessite donc pas d’implémenter un module de conversion tension-courant. La seconde étape est la reconstruction de l’image à partir des données mesurées. L’approche qui a été considérée est de supposer une image approchée de la distribution des phases grâce à une identification du régime d’écoulement. Ainsi, le défi de résoudre un problème inverse fortement non-linéaire est simplifié. Une méthode d’identification de régimes d’écoulements horizontaux eau-air a été élaborée avec un module de tomographie de capacitance électrique et une boucle d’essais hydrauliques déjà éprouvés. Cette technique est en cours d’adaptation au prototype de tomographie d’impédance électrique rapide et en amélioration grâce à l’inclusion des régimes d’écoulements verticaux. En parallèle, une méthode de reconstruction d’image a été développée, basée sur l’algorithme NOSER et un postulat pseudo-2D. L’analyse des images reconstruites à partir d’un set d’expériences de référence procure un aperçu des avantages et des défauts de la méthode et du prototype. / Recent developments with data acquisition equipment have reduced the time required for image acquisition with electrical tomography, thereby bringing new opportunities for the study of fast-evolving two-phase flows. Amongst the numerous advantages of this imaging technique for multiphase flow related research are non-intrusiveness, high acquisition rates, low-cost and improved safety. A set of electrodes placed on the periphery of the pipe to be imaged is used to impose an electrical excitation and measure the system response. The distribution of phases inside the study volume distorts the electrical field in a characteristic manner. The objective of this thesis is to assess the potential of electrical impedance tomography at high acquisition rate. The first stage consists in developing a prototype sensor and assessing its performance with simplistic experiments. The system architecture employs voltage control of the excitation and therefore does not require the implementation of the conventional voltage-to-current converter module. A novel data collection method, the full scan strategy, is considered and provides correcting factors for the parasitic impedances in the system. The second stage is the image reconstruction from the measurement data. The approach considered in the thesis is to assume that flow regime identification techniques may provide valuable information on the phase distribution that can be injected in the inverse problem for imaging, thereby tackling the challenge of the non-linearity of the inverse problem. A method for horizontal air-water flow regime identification has been elaborated with an electrical capacitance tomography sensor and multiphase flow rig tried and tested. It is being adapted to the fast electrical impedance tomography prototype and upgraded to include vertical flow regimes. In parallel, an image reconstruction method has been developed based on the NOSER algorithm and a pseudo-2D postulate. The analysis of the reconstructed images for a set of benchmark experiments provide insights on the merits and deficiencies of the algorithm and of the prototype.

La cavitation est l'un des phénomènes physiques les plus contraignants influençant les performances des machines hydrauliques. Il est donc primordial de savoir prédire son apparition et son développement, et de quantifier les pertes de performances qui lui sont associées. L'objectif de ce travail est de développer un algorithme 3D instationnaire pour la simulation numérique de la cavitation dans le code industriel « Code_Saturne ». Il est basé sur la méthode à pas fractionnaires et préserve le principe du minimum/maximum sur le taux de vide. Un solveur implicite, basé sur l'équation de transport du taux de vide couplée avec les équations Navier-Stokes est proposé. Un traitement numérique spécifique des termes sources de cavitation permet d'obtenir des valeurs physiques du taux de vide (entre 0 et 1) sans aucune limitation artificielle. L'influence des modèles de turbulence RANS sur la simulation de la cavitation est étudiée sur deux types de géométries 2D (Venturi et Hydrofoil). Cela confirme que la modification de Reboud et al. (1998) appliquée aux modèles à viscosité turbulente à deux équations, k-epsilon et k-omega-SST, permet de reproduire les principales caractéristiques du comportement instationnaire de la poche de cavitation. Le modèle du second ordre RSM-SSG, basé sur le transport des contraintes de Reynolds, se révèle capable de reproduire le comportement instationnaire de l'écoulement sans aucune modification arbitraire. Les effets tridimensionnels intervenant dans les mécanismes d'instabilité de la poche sont également analysés. Ce travail nous permet d'aboutir à un outil numérique, validé sur des configurations d'écoulements cavitants complexes, afin d'améliorer la compréhension des mécanismes physiques qui contrôlent les effets instationnaires tridimensionnels intervenants dans les mécanismes d'instabilité. / Cavitation is one of the most demanding physical phenomena influencing the performance of hydraulic machines. It is therefore important to predict correctly its inception and development, in order to quantify the performance drop it induces, and also to characterize the resulting flow instabilities. The aim of this work is to develop an unsteady 3D algorithm for the numerical simulation of cavitation in an industrial CFD solver « Code_saturne ». It is based on a fractional step method and preserves the minimum/maximum principle of the void fraction. An implicit solver, based on a transport equation of the void fraction coupled with the Navier-Stokes equations is proposed. A specific numerical treatment of the cavitation source terms provides physical values of the void fraction (between 0 and 1) without including any artificial numerical limitation. The influence of RANS turbulence models on the simulation of cavitation on 2D geometries (Venturi and Hydrofoil) is then studied. It confirms the capability of the two-equation eddy viscosity models, k-epsilon and k-omega-SST, with the modification proposed by Reboud et al. (1998) to reproduce the main features of the unsteady sheet cavity behavior. The second order model RSM-SSG, based on the Reynolds stress transport, appears able to reproduce the highly unsteady flow behavior without including any arbitrary modification. The three-dimensional effects involved in the instability mechanisms are also analyzed. This work allows us to achieve a numerical tool, validated on complex configurations of cavitating flows, to improve the understanding of the physical mechanisms that control the three-dimensional unsteady effects involved in the mechanisms of instability.

Parmi les méthodes de Récupération Améliorée du Pétrole (RAP) il en existe une, dite chimique, qui fait appel à des fluides complexes (polymères, gels, tensioactifs) qui permet de modifier la viscosité et/ou la tension interfaciale Les solutions de polymères utilisées actuellement présentent l’inconvénient d’être sensibles de manière irréversible aux taux de cisaillement élevés observés au voisinage des puits. Une alternative à ces solutions de polymères pourrait nous être donnée par l’utilisation de micelles géantes. Il s’agit d’auto-assemblages de molécules amphiphiles dont le comportement est similaire à celui des polymères avec l’avantage d’une meilleure stabilité aux cisaillements élevés (capacité des micelles à se reformer après cisaillement).L’objectif de ce travail est d’étudier l’écoulement d’une solution de micelles géantes en milieu poreux, dans le but de déterminer son éventuelle utilité dans le RAP. Il s’agit d’une caractérisation en milieu poreux à l’échelle du laboratoire, utilisant des milieux poreux naturels, de façon à se placer dans un cadre d’étude le plus réaliste possible. Cette étude se divise en trois parties :- Une étude rhéologique de la solution de micelles géantes- Une étude monophasique de l’injection de la solution dans un milieu poreux naturel- Une étude diphasique du déplacement d’huile par la solution de micelles.Les résultats de cette étude seront comparés avec des expériences références utilisant des techniques classiques de récupération telles que l’ASP et l’injection de polymères / Among all the Enhanced Oil Recovery (EOR) methods used to improve oil recovery, chemical methods require the use of complex fluids like polymers or surfactant solutions. Those fluids present particular chemical and mechanical properties allowing to modify viscosity and/or interfacial tension to increase oil recovery. However, polymer solutions show a high sensitivity to shear rates existing close to wells and may lose their mechanical properties when they are injected in a porous media. An alternative method could be to use self arrangement of surfactant molecules (wormlike micelles) to displace oil in porous media. These systems show not only a similar behaviour as polymers but also a low sensibility to temperature and shear rates.The goal of this experimental work is to study the flow of wormlike micelle solutions innatural porous media in order to determine its ability to flow and displace oil in place. Itconsists in a characterization at laboratoty scale. We will use natural porous media in orderto be close to a realistic situation. This study is divided in three parts:- A rheological characterization of the micellar system- A monophasic injection within the porous medium- A diphasic _ow study of oil displacementThe results of this work are compared to standard reference experiments using classicaltechniques such as ASP or polymer injection.