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Tipo: Dissertação
Título : Escoamento bifásico em meio poroso: análise dos regimes do estado estacionário
Autor : Magalhães, Alessandro Peixoto
Tutor: Oliveira, Cláudio Lucas Nunes de
Palabras clave en portugués brasileño: Escoamento bifásico;Meios porosos;Lei de Forchheimer;Máquina de Boltzmann
Palabras clave en inglés: Two-phase flow;Porous media;Forchheimer's Law;Boltzmann Machine
Áreas de Conocimiento - CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA::FISICA DA MATERIA CONDENSADA
Fecha de publicación : 2026
Citación : MAGALHÃES, Alessandro Peixoto. Escoamento bifásico em meio poroso: análise dos regimes do estado estacionário. Dissertação (Mestrado em Física) – Centro de Ciências, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2026.
Resumen en portugués brasileño: O deslocamento imiscível em meios porosos desordenados exibe uma ampla gama de morfologias interfaciais estacionárias, cuja organização coletiva não pode ser inferida apenas pelas leis de transporte. Esses padrões surgem da competição entre forças viscosas, capilares e inerciais; contudo, descrições que abranjam diferentes regimes e conectem simultaneamente parâmetros de controle adimensionais, morfologia e estrutura coletiva ainda são limitadas. Neste trabalho, simulamos as equações de Navier-Stokes com condições de contorno periódicas para resolver o escoamento bifásico estatisticamente estacionário em uma matriz porosa desordenada constituída por um arranjo aleatório de discos, em amplas faixas de gradiente de pressão e tensão interfacial, cobrindo múltiplas ordens de magnitude nos números Capilar e de Forchheimer. Identificamos, via aprendizado de máquina não supervisionado, três morfologias estacionárias robustas — bolhas, listras e misturas —, organizadas em um diagrama de regimes (Fo, Ca) com transições nítidas e consistentes, governadas pelo equilíbrio entre os efeitos capilares, viscosos e inerciais. Apesar dessas reorganizações morfológicas pronunciadas, o transporte macroscópico varia suavemente: os estados de listras e de mistura seguem uma relação V por |∇p| do tipo Forchheimer, enquanto os estados de bolhas desviam-se sistematicamente devido à barreira energética adicional resultante das deformações da interface. Para caracterizar a organização coletiva subjacente a essas morfologias, e seguindo o precedente de analogias pseudo-termodinâmicas para escoamentos bifásicos, simplificamos configurações estacionárias em campos binários e inferimos modelos de máxima entropia aos pares. Os Hamiltonianos inferidos reproduzem as estatísticas de primeira e segunda ordem ajustadas e, próximo a algumas transições morfológicas, predizem com precisão correlações de ordem superior fora da amostra. A análise termodinâmica dos modelos inferidos — em que a temperatura é um parâmetro do modelo estatístico, sem relação com a temperatura do fluido — revela assinaturas de calor específico dependentes do regime: parte considerável das morfologias de listras opera próxima a um ponto de transição ordem-desordem, enquanto os estados de bolhas e de mistura correspondem à organização supercrítica. Em conjunto, o mapa de regimes hidrodinâmicos e a representação de máxima entropia estabelecem uma estrutura unificada e adimensional que conecta a morfologia interfacial, o transporte macroscópico e as estatísticas coletivas em escoamentos bifásicos em meios porosos.
Abstract: Immiscible displacement in disordered porous media exhibits a wide range of steady-state interfacial morphologies whose collective organization cannot be inferred from transport laws alone. These patterns arise from the competition between viscous, capillary, and inertial forces; however, descriptions that span different regimes and simultaneously connect dimensionless control parameters, morphology, and collective structure remain limited. In this work, we simulate the Navier-Stokes equations with periodic boundary conditions to resolve statistically steady two-phase flow in a disordered porous matrix consisting of a random array of non-overlapping disks, over wide ranges of pressure gradient and interfacial tension, covering multiple orders of magnitude in the Capillary and Forchheimer numbers. Using unsupervised machine learning, we identify three robust steady-state morphologies — bubbles, stripes, and mixtures — organized in a regime diagram (Fo, Ca) with sharp and consistent transitions governed by the balance between capillary, viscous, and inertial effects. Despite these pronounced morphological reorganizations, macroscopic transport varies smoothly: stripe and mixture states follow a Forchheimer-type V versus |∇p| relation, while bubble states deviate systematically due to the additional energy barrier arising from interface deformations. To characterize the collective organization underlying these morphologies, and following the precedent of pseudo-thermodynamic analogies for two-phase flows, we coarse-grain steady-state configurations into binary fields and infer pairwise maximum-entropy models. The inferred Hamiltonians reproduce the fitted first- and second-order statistics and, near some morphological transitions, accurately predict out-of-sample higher-order correlations. Thermodynamic analysis of the inferred models—in which temperature is a parameter of the statistical model, unrelated to the physical temperature of the fluid—reveals regime-dependent specific heat signatures: a considerable fraction of stripe morphologies operate near an order-disorder transition point, while bubble and mixture states correspond to supercritical organization. Taken together, the hydrodynamic regime map and the maximum-entropy representation establish a unified, dimensionless framework connecting interfacial morphology, macroscopic transport, and collective statistics in two-phase porous flows.
URI : http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/85550
Derechos de acceso: Acesso Aberto
Aparece en las colecciones: DFI - Dissertações defendidas na UFC

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