Projetos de Pesquisa na Linha de Mecânica dos Fluidos

ANÁLISE DO ESCOAMENTO INCOMPRESSÍVEL EM DUTOS CORRUGADOS (vigente)

Descrição: O objeto deste projeto é a análise numérica e experimental do escoamento incompressível em tubos corrugados. Esta análise visa o estabelecimento de uma base de conhecimento para a determinação da influência da rugosidade dos dutos no fator de atrito. Estudos preliminares na UTFPR mostram que este tipo de tubulação pode ser utilizado como redutor de atrito. São propostos o uso da simulação física (experimentação) e a simulação numérica para atingir os objetivos. Será utilizada a técnica da Dinâmica dos Fluidos Computacional (DFC) para a determinação numérica do fator de atrito no escoamento em tubos corrugados e a construção de uma bancada para a validação do código numérico computacional.

Professor Responsável: RIGOBERTO ELEAZAR MELGAREJO MORALES 

ESCOAMENTO BIFÁSICO INTERMITENTE LÍQUIDO-GÁS EM GOLFADAS EM TUBULAÇÕES (vigente)

Descrição: Neste projeto é desenvolvido um estudo do escoamento de óleo e gás em golfadas em dutos horizontais, verticais e com mudança de direção utilizando o modelo numérico de seguimento de pistões (Slug Tracking). Será dada ênfase ao desenvolvimento do modelo matemático e programa computacional que permita ampliar a capacidade de simulação do escoamento em golfadas em cenários similares aos encontrados em operações de produção de petróleo e gás. Propõe-se estudar teoricamente, experimentalmente e numericamente o comportamento do escoamento em golfadas com mudança de direção. Para atingir os objetivos propostos, será realizado um estudo numérico e experimental com a finalidade de obter os resultados listados a seguir. 1). Modelo matemático e programa computacional para simular o escoamento intermitente em golfadas em dutos horizontais, inclinados, verticais e com mudança leve, gradual (riser) e abrupta de direção. 2). Desenvolvimento do modelo matemático e programa computacional para simular o escoamento em golfadas com mudança de fase utilizando o modelo Slug Tracking. 3). Base de dados experimentais do comportamento do escoamento intermitente em golfadas em dutos com mudança leve e abrupta de direção, a qual poderá ser utilizada para o desenvolvimento de novos modelos (Slug Tracking, Drift Flux, Dois fluidos, etc). 4). Desenvolvimento de algoritmos para a caracterização do escoamento em golfadas em dutos com mudança de direção. Estes algoritmos serão baseados em técnicas de soft-computing para extração automática de parâmetros descritivos do escoamento a partir de dados experimentais.

Professor Responsável: RIGOBERTO ELEAZAR MELGAREJO MORALES

ESCOAMENTOS TRANSITÓRIOS COMPRESSÍVEIS DE FLUIDOS DE PERFURAÇÃO DE POÇOS DE PETRÓLEO (vigente)

Descrição: Muitos fluidos na perfuração de poços de petróleo são projetados para formarem gel, quando não submetidos a uma tensão de cisalhamento. O objetivo é prevenir que cascalhos possam se precipitar durante os períodos de parada de circulação do fluido. Quando a circulação se reinicia, seções do poço experimentarão um pulso de aumento de pressão durante um curto espaço de tempo até que o gel possa ser fraturado. Estas pressões excedem as pressões usuais de trabalho. Adicionalmente, devido aos efeitos tixotrópicos de muitos géis, a sua viscosidade permanecerá elevada por algum tempo após o início da recirculação. A gelificação pode ter efeitos significativos, especialmente em águas profundas que apresentam elevadas pressões e temperaturas, nas quedas de pressões. Estes fluidos de trabalho apresentam propriedades reológicas dependentes do tempo. Estudos têm sido conduzidos para investigarem os efeitos das propriedades reológicas nos valores da pressão. A modelagem é fundamental no entendimento do fenômeno e previsão de picos de pressão no interior dos poços. Alguns trabalhos têm dedicado atenção à modelagem do início da recirculação e fraturas de géis. A compressibilidade do fluido bem como o caráter transitório do fenômeno impõe dificuldades adicionais ao problema. Um outro escoamento transitório característico de atividades de perfuração de poços é aquele gerado pelo movimento axial da coluna de perfuração. O fluido deslocado pela coluna tende a se deslocar pela região anular formada pelo poço e pela própria coluna. O movimento descendente promove uma sobre pressão no fundo do poço enquanto que o movimento ascendente causa uma sub-pressão. As pressões elevadas geradas podem provocar fratura da formação rochosa e portanto, perda da circulação bem como, as baixas pressões podem estar abaixo das pressões dos poros, ocasionando o chamado kick. A previsão adequada das pressões de surge e swab é fundamental para determinar as velocidades e acelerações de introdução e retirada da coluna no poço. Vários modelos têm sido desenvolvidos com o objetivo de prever as pressões de surge e swab. Estes modelos, baseados na equação da conservação da quantidade de movimento e em equações constitutivas de fluidos de perfuração (Bingham ou Lei de Potência), podem ser divididos em: estacionários e transitórios. Os modelos estacionários admitem que as pressões são causadas principalmente pela perda de carga e não considera os efeitos de inércia e compressibilidade do fluido. Os modelos transitórios, por sua vez, admitem a compressibilidade do fluido e da coluna e a inércia do fluido. Portanto, exigem modelos mais complexos que requerem recursos computacionais. O presente projeto tem por objetivo a implementação computacional de modelos matemáticos para simular os escoamentos transitórios compressíveis descritos acima. A simulação permitirá avaliação de vazões, pressões e velocidades do escoamento. A modelagem é conduzida através do uso das equações da conservação da massa e da quantidade de movimento. O uso de equações constitutivas adequadas ao problema é fundamental na previsão correta das pressões.

Professor Responsável: CEZAR OTAVIANO RIBEIRO NEGRAO

INVESTIGAÇÃO EXPERIMENTAL DE ESCOAMENTOS DE FLUIDOS COMPLEXOS EM TUBULAÇÕES (vigente)

Descrição: Esse projeto consiste na investigação experimental em laboratório do comportamento dinâmico de fluidos newtonianos e não newtonianos em tubulações com a utilização de bancas experimentais e instrumentação. Escoamentos em regime laminar e turbulento são estudados. Tubos de seção transversal circular, anular, elíptica, contrações abruptas e ejetores são exemplos das principais geometrias investigadas. O objetivo é determinar o campo de velocidade bi e tridimensional em escoamentos envolvendo fluidos newtonianos e não newtonianos (fluidos viscoplásticos e viscoelásticos) ao longo dessas geometrias. O campo de velocidade é determinado pela técnica de Velocimetria por Imagem de Partícula (PIV) ou pelo uso de sensores locais e o campo de pressão é levantado com a utilização de transdutores de pressão.  A partir desses campos de velocidade são calculadas grandezas derivadas tais como: campos médios e perfis de velocidade, assim como linhas de corrente, recirculações e propriedades turbulentas. Os resultados obtidos são comparados com resultados numéricos usando CFD. A validação experimental dos modelos numéricos fornece subsídios para o aprimoramento e validação da solução computacional, permitindo estender esses estudos para modelos de fluidos não newtonianos com equações constitutivas mais complexas.

Professor Responsável: ADMILSON TEIXEIRA FRANCO

MODELAGEM MATEMÁTICA E ANÁLISE NUMÉRICA DO ESCOAMENTO DE FLUIDOS VISCOELÁSTICOS E VISCOPLÁSTICOS (vigente)

Descrição: A compreensão dos diversos fenômenos que ocorrem nos escoamentos de fluidos não newtonianos tem se intensificado nos últimos anos, em função da grande demanda de aplicações desses fluidos, como na indústria de plásticos, de resinas, de tintas, química, de processamento de alimentos e na petrolífera. Os escoamentos de fluidos que apresentam comportamento não newtoniano são mais complexos de serem descritos comparados aos fluidos newtonianos. Em geral para escoamento isotérmico, os fluidos newtonianos são caracterizados por uma única função material, a viscosidade dinâmica, a qual independente da taxa de deformação sofrida pelas partículas do fluido. Para os fluidos não newtonianos, são necessárias mais funções materiais para descrever o seu comportamento, como a viscosidade aparente e a tensão limite de escoamento para os fluidos viscoplásticos e a primeira e segunda diferença de tensões normais e a viscosidade extensional para os fluidos viscoelásticos. Devido à necessidade do conhecimento de várias funções materiais para a caracterização de um fluido não newtoniano, as equações constitutivas para o tensor de tensões são muito mais complexas se comparadas ao problema de escoamento de fluido newtoniano, além de particularmente não terem generalidade, sendo específicas para uma determinada classe de fluidos. O entendimento das equações constitutivas para fluidos não newtonianos representa um passo fundamental na compreensão dos escoamentos de fluidos não newtonianos, pois a equação constitutiva de um determinado fluido expressa toda sua natureza. Além disso, o conhecimento dos parâmetros que controlam os fenômenos dos escoamentos não newtonianos também é de extremo interesse. Também a obtenção de soluções analíticas simples geralmente é interessante, pois ilustram bem a física do escoamento e servem como referência para validação de resultados numéricos. Considerando o exposto acima, no presente projeto é proposta a modelagem matemática e a análise numérica de escoamentos de fluidos viscoplásticos e viscoelásticos em geometrias típicas, como tubo circular, tubo anular, contração abrupta, ejetor e tubo elíptico. Esses exemplos de geometrias são de fundamental interesse em diversas indústrias, com ênfase para a petrolífera. Esse projeto de pesquisa era anteriormente denominado de: Análise do Escoamento de Fluidos de Perfuração com Modelos Viscoplásticos e Viscoelásticos em Tubos de Seção Elíptica e em Contração Abrupta.

Professor Responsável: ADMILSON TEIXEIRA FRANCO

REINÍCIO DE CIRCULAÇÃO DE ÓLEOS PARAFÍNICOS GELIFICADOS EM TUBULAÇÕES (vigente)

Descrição: Nas últimas décadas, a exploração de novos campos de petróleo tem resultado na produção de quantidades consideráveis de óleos parafínicos. A produção deste tipo de óleo em condições de regime permanente é uma prática idêntica à de qualquer tipo de óleo. Entretanto, a alta quantidade de parafina contida nestes óleos pode gerar dificuldades quando a temperatura cai. A maior complexidade está relacionada aos cristais parafínicos que formam uma estrutura gelificada mudando as propriedades reológicas do cru quando em repouso e a baixas temperaturas. Em situações de emergência e de manutenção, podem acontecer interrupções da produção por um tempo suficiente para ocorrência da gelificação. O material gelificado exibe propriedades não-newtonianas que resultam no aparecimento de uma tensão limite de escoamento e características viscoelásticas dependentes da temperatura. Quanto mais baixa a temperatura, mais alta a tensão limite de escoamento e a viscosidade, que podem variar em uma ordem de grandeza. A principal dificuldade com o transporte de óleo parafínico é o reinício do escoamento em uma tubulação preenchida com óleo gelificado. Este cenário é o que está configurado nos campos do pré-sal, ou seja, o petróleo lá encontrado é parafínico com grande propensão à gelificação em temperaturas abaixo de 20ºC.  Considerando que este óleo será produzido a muitos quilômetros da costa e o seu transporte deverá ocorrer por linhas que podem ultrapassar 200 km de extensão localizadas no fundo do oceano a uma temperatura por volta de 4ºC, o risco de gelificação durante os períodos de parada para manutenção é muito alto. O reinício do escoamento pode então exigir pressões muito acima da tensão de ruptura da tubulação e, portanto, inviabilizar a produção. Como forma de compreender melhor o processo de gelificação, propõe-se neste trabalho a realização do estudo numérico e experimental do processo de reinício do escoamento de óleos parafínicos em tubulações. Os resultados deste estudo deverão proporcionar conhecimento suficiente para encontrar soluções para o problema em questão.

Professor Responsável: CEZAR OTAVIANO RIBEIRO NEGRAO

SIMULAÇÃO NUMÉRICA DE UMA BOMBA CENTRÍFUGA SUBMERSA (BCS) SOB A PRESENÇA DE ÓLEOS PESADOS (vigente)

Descrição: O presente projeto tem como objetivo o estudo numérico do escoamento monofásico e bifásico de líquido-gás em Bombas Centrífugas Submersas (BCS). Para que se cumpram os objetivos, estão planejadas as seguintes atividades: (i) Simulação de escoamentos viscosos em Bombas Centrífugas Submersas, visando a verificação das correções das leis de similaridade; (ii) Simulações numéricas do escoamento bifásico de líquido-gás em Bombas Centrífugas Submersas e (iii) Estudo experimental do escoamento bifásico de líquido-gás em bombas centrífugas (Esta atividade é necessária para a validação dos resultados das simulações numéricas).

Professor Responsável: RIGOBERTO ELEAZAR MELGAREJO MORALES