[pt] DESLOCAMENTOS MISCÍVEIS TRIDIMENSIONAIS EM CÉLULAS DE HELE-SHAW PARA PERFIS DE VISCOSIDADE NÃO-MONOTÔNICOS

[en] THREE-DIMENSIONAL MISCIBLE DISPLACEMENTS OF NONMONOTONIC VISCOSITY PROFILE FLUIDS IN HELE-SHAW CELLS

[pt] JOAO PEDRO SAMPAIO DE ABREU PIMENTA

[pt] CELULA DE HELE SHAW

[pt] METODO DNS

[pt] PERFIL NAO MONOTONICO

[pt] VISCOUS FINGERING

[pt] INSTABILIDADE DE SAFFMAN-TAYLOR

[en] HELE SHAW CELL

[en] DNS METHOD

[en] NONMONOTONIC PROFILES

[en] VISCOUS FINGERING

[en] SAFFMAN-TAYLOR INSTABILITY

[pt] Caso um fluido menos viscoso seja utilizado para deslocar outro mais viscoso, o gradiente desfavorável de mobilidade desencadeia o desenvolvimento de instabilidades na interface viscosa entre eles, conhecidas como instabilidades de Saffman-Taylor. O estudo das instabilidades dessa interface viscosa em escoamentos tem sido ponto focal de diversas pesquisas ao longo das últimas décadas, principalmente devido ao aparecimento do fenômeno, também conhecido como viscous fingering instability, em diversos processos industriais, no qual se destaca a recuperação avançada de petróleo. Historicamente, investigações acerca desse tema tem empregado a Lei de Darcy na modelagem do fenômeno físico. No entanto, a utilização dessa simplificação das equações de Navier-Stokes, envolve certos procedimentos de média que prejudicam a assertividade dos resultado caso a simulação seja realizada para escoamentos em células de Hele-Shaw. Por isso, os estudos aqui realizados tiveram seus resultados calculados através da resolução numérica das equações completas de Navier-Stokes, acopladas às equações convectivas e difusivas, através do método DNS, a fim de estudar o comportamento linear e não-linear da interface entre pares de fluidos com perfil de viscosidade não-monotônico. Além da validação primária dos métodos de discretização e resolução numérica, uma ênfase particular é colocada na identificação da influência da viscosidade relativa e do número de Péclet na mudança do comportamento do escoamento. Em segundo plano, foi realizado um estudo de otimização da resolução da malha a fim de reduzir o custo computacional de investigações futuras. Através das simulações bidimensionais observamos o aparecimento de escoamentos com desenvolvimento referencialmente quasi-estacionários para a interface viscosa em caso de números de Péclet e viscosidade relativa suficientemente altas. Estudos adicionais são necessários para o estudo da propagação dos dedos viscosos na presença de perturbações, assim como o estudo de cenários de caráter não-linear, a fim de futuramente desenvolver parametrizações da dinâmica do escoamento.

[en] Supposing the usage of a less viscous fluid to displace another more viscous, the unfavorable resulting mobility gradient triggers the development of viscous instabilities in the interface between both fluids, known as Saffman-Taylor Instabilities. This particular viscous instability has been the case study of several thesis and investigations throughout the last decades, especially because of the several applications of such phenomenon, casually known as viscous fingering, in industrial processes, most notably the second and third recovery of oil extraction. Historically, these investigations have been applying the Darcy s Law as the mathematical model for the flow dynamics. However, despite the fundamentally sound theory behind it, the averaging procedures of its development my hinder the assertiveness of the results of the simulation applied to flows in Hele-Shaw cells. Therefore, the investigations here conducted had their results based in the solving of the direct numerical simulations, or DNS, of the complete three dimensional Navier-Stokes equations coupled with equations of convection and diffuseness. Our objective is to study the linear and non-linear behavior of the viscous interface between fluids pairs that present non-monotonic behaviors. Besides the primary discrete modeling and numerical simulation, a particular emphasis is placed on the identification of influencing patterns of two governing parameters, the relative viscosity and Péclet number, on the change of behavior of the fluid flow. Simultaneously, optimization studies where conducted to identify the necessary resolution of the mesh discretization, in order to reduce the computational costs of further investigations. Through bi-dimensional simulations we were able to observe the development of quasi-steady state viscous interfaces in flows which featured sufficiently high viscosity ratios and Péclet numbers. Further investigations will be needed to study the propagation of the viscous fingers in the presence of flow disturbances, as also to disitnguish particularities of non-linear flows, in order to subsequently develop parametric solutions for the flow dynamics.

RAFAEL MENEZES DE OLIVEIRA

MONICA FEIJO NACCACHE

2019-08-08

[pt] TEXTO

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https://doi.org/10.17771/PUCRio.acad.43025