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Tipo: Tese
Título : Dinâmica de bolhas no escoamento bifásico estacionário em meios porosos desordenados
Autor : Sales, Jonathan Márcio Amâncio
Tutor: Oliveira, Claudio Lucas Nunes de
Palabras clave en portugués brasileño: Escoamento bifásico;Meios porosos;Correlações temporais;Relações de Onsager
Áreas de Conocimiento - CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA::FISICA DA MATERIA CONDENSADA
Fecha de publicación : 2023
Citación : SALES, J. M. A. Dinâmica de bolhas no escoamento bifásico estacionário em meios porosos desordenados. 2023. Tese (Doutorado em Física) - Centro de Ciências, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2023.
Resumen en portugués brasileño: O escoamento bifásico em meios porosos leva à formação de bolhas que eventualmente se quebram e se fundem ou podem ficar presas na matriz porosa. Esse comportamento dinâmico altamente complexo cria flutuações características nos campos de velocidade das duas fases e influencia fortemente as propriedades macroscópicas, como a permeabilidade efetiva. A fim de entender melhor como o comportamento microscópico afeta as propriedades macroscópicas do escoamento, nós simulamos os campos de velocidade de dois fluidos imiscíveis escoando em um meio poroso bidimensional. Nós encontramos que os tamanhos das bolhas, m, seguem uma distribuição em lei de potência, P(m) ∝ m−ξ , onde o expoente ξ depende do número capilar, Ca, que descreve a razão entre as forças viscosas e interfaciais. Abaixo de um número capilar característico, dado por Ca∗ ≈ 0,046, as bolhas são grandes e coesas com um expoente constante ξ ≈ 1,23 ± 0,03. Acima desse valor, o escoamento é dominado por muitas gotículas e alguns aglomerados longo e finos. Neste regime o expoente ξ aumenta, aproximando-se de 2,05±0,03 no limite quando Ca → ∞. Além disso, analisando as flutuações nos campos de velocidade das duas fases, nós descobrimos que o sistema é ergódico para grandes frações de volume da fase menos viscosa e altos valores de Ca. As flutuações nas séries temporais da velocidade apresentam avalanches cujos tamanhos seguem uma distribuição em lei de potência, P(∆t) ∝ (∆t)−η , enquanto os saltos de velocidade seguem uma distribuição gaussiana. Análises pelo método DFA mostram correlações de longo alcance nas séries temporais. A velocidade característica do escoamento total, calculada como o valor médio da série temporal da mistura das duas fases, segue uma generalização da lei de Darcy na forma v(m) ∝ (∇p)β , onde ∇p é o gradiente de pressão global aplicado e o expoente β depende da tensão superficial entre as duas fases. Para altos valores de número capilar, a constante de proporcionalidade nesta relação, chamado mobilidade, aumenta exponencialmente com a saturação da fase menos viscosa. Este resultado está de acordo com observações anteriores para permeabilidades efetivas em reservatórios movidos a gás dissolvido.
Abstract: Two-phase flow through porous media leads to the formation of bubbles that eventually break and merge or can become trapped in the porous matrix. This highly complex dynamic behavior creates characteristic fluctuations in the velocity fields of the two phases and strongly influences macroscopic properties such as effective permeability. In order to better understand how the microscopic behavior affects the macroscopic properties of the flow, we simulate the velocity fields of two immiscible fluids flowing through a two-dimensional porous medium. We found that the bubble size, m, follows a power law distribution, P(m) ∝ m−ξ , where the exponent ξ depends on the capillary number, Ca, which describes the ratio between the viscous and interfacial forces. Below a characteristic capillary number, given by Ca∗ ≈ 0.046, the bubbles are large and cohesive with a constant exponent ξ ≈ 1.23 ± 0.03. Above this value, the flow is dominated by many droplets and finger-like spanning clusters. In this regime the exponent ξ increases approaching 2.05 ± 0.03 in the limit when Ca → ∞. Moreover, by analyzing the fluctuations in the velocity fields of the two phases, we find that the system is ergodic for large volume fractions of the less viscous phase and high values of Ca. The fluctuations in the velocity time series present avalanches whose sizes follow a power law distribution, P(∆t) ∝ (∆t)−η , while the velocity jumps follow a Gaussian distribution. Analyzes by the DFA method show long-range correlations in the time series. The characteristic velocity of the flow, calculated as the mean value of the time series of the mixture of the two phases, follows a generalization of Darcy’s law in the form v(m) ∝ (∇p)β , where ∇p is the applied global pressure gradient and the exponent β depends on the surface tension between the two phases. For high values of capillary number, the constant of proportionality in this relation, called mobility, increases exponentially with the saturation of the less viscous phase. This result is in agreement with previous observations for effective permeabilities in dissolved gas powered reservoirs.
URI : http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/74585
Derechos de acceso: Acesso Aberto
Aparece en las colecciones: DFI - Teses defendidas na UFC

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