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No domínio da hidráulica fluvial, é fundamental conhecer o campo de velocidades das fases sólida (sedimentos) e líquida (água). A partir do campo de velocidades instantâneas é possível quantificar diversas variáveis incluindo intensidades da turbulência e tensões de corte e identificar zonas de separação, recirculação, etc. O desenvolvimento de técnicas óticas permitiu o desenvolvimento de instrumentos de medição baseados na aquisição e no processamento de imagens, nomeadamente o PIV (particle image velocimetry) e o PTV (particle tracking velocimetry). Neste artigo, apresenta-se um algoritmo que combina ambas as técnicas, PIV e PTV, permitindo assim, juntar os pontos fortes de cada uma das técnicas e possibilitando a medição simultânea do campo de velocidades da água e dos sedimentos e estudar mais detalhadamente a interação fluido-sedimentos. As vantagens e limitações do algoritmo proposto são exploradas e discutidas com recurso a um conjunto de experiências laboratoriais., In the domain of fluvial hydraulics, it is critical to know the velocity field of both solid (sediments) and liquid phases (water). From the velocity field it is possible to determine different variables such as shear stresses, identify recirculation regions, etc. The development of optical techniques allowed for measurement techniques based on image acquisition and processing, namely PIV (particle image velocimetry) and PTV (particle tracking velocimetry). In this paper an algorithm combining both PIV and PTV techniques is presented, allowing in this way to profit from each technique strong points and allowing the simultaneous measurement of the water and sediment layer velocity fields and to obtain a better know how of the fluid-sediment interaction. The advantages and limitations of the proposed techniques are explored and discussed by means of a laboratory experiment., Este trabalho teve o apoio financeiro do Projeto PTDC/ ECM-HID/6387/2014 – POCI-01-0145- FEDER-016825 – financiado por fundos do FEDER através do COMPETE2020 – Programa Operacional Competitividade e Internacionalização (POCI) e por fundos nacionais através da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologia, I.P

Orientador: Marcelo Souza de Castro Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: A produção de petróleo e de gás impõe, a cada dia, novos desafios tecnológicos e científicos, mais ainda durante e depois das crises econômicas mundiais. Dentro desse escopo e considerando a contínua evolução e inventividade de novas técnicas, são desenvolvidas correlações e novos conhecimentos multidisciplinares para o aumento e otimização da produção de petróleo e de gás em ambientes offshore e onshore. Verifica-se que, a cada dia, mais estudos e pesquisas precisam ser realizados. O presente trabalho apresenta um estudo sistemático para a modelagem associada à um escoamento bifásico em um duto curvo de seção retangular. Foram obtidos dados experimentais. Foi realizado um estudo analítico a partir da aquisição de dados e visualização dos diferentes fenômenos que ocorrem em um escoamento bifásico em duto curvo considerando as diferentes condições operacionais, tais como: mistura de dois fluidos Óleo-Ar e Água-Ar, padrão de escoamento em bolhas, vazão mássica de água entre 500 kg/h a 2000 kg/h, vazão mássica de ar de 0.09 kg/h a 1 kg/h, vazão mássica de óleo entre 200 kg/h a 2600 kg/h e vazão mássica de ar entre 0.07 kg/h a 5 kg/h, pressão de operação entre de 0 até 2.5 bar. Os fenômenos físicos investigados observados foram: coalescência de bolhas, formação de bolha alongada estacionária e formação de filme de líquido, presença de região de remistura com escoamento em bolhas de diversos diâmetros e existência de diâmetro crítico para bolhas saírem do canal do duto curvo. Foi feita uma comparação do escoamento com o que ocorre em escoamentos bifásicos no canal do rotor de bombas centrífugas, confirmando as semelhanças entre eles. Foi desenvolvida uma correlação para a determinação da espessura de filme de líquido com base nos resultados experimentais obtidos. Os resultados experimentais da espessura de filme de líquido foram comparados com as correlações existentes na literatura e com a correlação proposta. Os resultados permitiram apontar correções nos modelos testados para representarem mais acuradamente os dados experimentais obtidos Abstract: The production of oil and gas imposes, every day, new technological and scientific challenges, even more during and after the world economic crisis. Within this scope and considering the continuous evolution and inventiveness of new techniques, new correlations, and new multidisciplinary knowledge are developed for the increase and optimization of oil and gas production in offshore and onshore environments are necessary. It appears that, every day, more studies and research need to be carried out. The present work presents a systematic study for the modeling associated with a two-phase flow in a curved pipeline of rectangular section. Experimental data were obtained. An analytical study was carried out from the acquisition data and visualization of the different phenomena that occur in a two-phase flow in a curved pipeline considering the different operating conditions, such as: mixture of two fluids Oil-Air and Water-Air, flow pattern in bubbles, the flows were made in strips, where the mass flow of water varied from 500 kg/h to 2000 kg/h, the mass flow of air from 0.09 kg/h to 1 kg/h; the mass flow of oil varied between 200 kg/h to 2600 kg/h and the mass flow of gas varied between 0.07 kg/h to 5 kg/h, the operating pressure of operation varied from 0 to 2.5 bar and flow correlation’s existing in the literature and an experimental correlation were evaluated to allow a better understanding of this type of flow. The physical phenomena investigated observed were: bubble coalescence, stationary elongated bubble formation and a liquid film formation, presence of a remix region with flow in bubbles of different diameters and existence of a critical diameter for bubbles to exit the curved duct channel. A flow comparison was made with what occurs in biphasic flows in the rotor channel of centrifugal pumps, confirming the similarities between them. Therefore, a correlation for the determination of the liquid film height was developed based on the obtained experimental results. The experimental results of liquid film height were compared with existing models in the literature and with the proposed model. The results allowed to point out corrections in the tested models to more accurately represent the obtained experimental data Mestrado Explotação Mestre em Ciências e Engenharia de Petróleo CAPES 46.068.425/0001-33

Orientador: Ana Maria Frattini Fileti Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química Resumo: Escoamentos bifásicos são comumente encontrados nas indústrias químicas e podem apresentar diferentes tipos de padrões de escoamento. Normalmente, para um escoamento monofásico, a modelagem matemática é aplicada para entender o comportamento do escoamento a partir de fenômenos físicos. Entretanto, quando duas ou mais fases coexistem, outras características precisam ser estudadas, como a distribuição das fases ao longo dos dutos de transporte. Ao longo do tempo, alguns pesquisadores tentaram determinar empiricamente a configuração do fluxo criando mapas de padrões de fluxo com a velocidade superficial de cada fase, ou aplicando o método ultrassônico, radiografia, tomografia, raio-X, entre outros. Visando contribuir com a área, o escopo deste trabalho foi dedicado a classificar três tipos de padrões de escoamento – slug, churn e dispersed-bubble – através da técnica de Rede Neural Convolucional (RNC) para classificação de imagens. As imagens foram extraídas de vídeos de fluxos ar-água e ar-óleo em tubos verticais gravados em alta resolução e fornecidos em uma matriz de pixels de três canais representando a cor do sistema RGB. Após o pré-tratamento para alterar o espaço de cores, a resolução da imagem e normalizar os dados, as imagens foram enviadas para o processo de mapeamento com filtros para extração de características. Na sequência, os valores obtidos da primeira etapa foram vetorizados para posterior classificação. A rede neural convolucional é uma ferramenta de aprendizado profundo que substituiu em muitos casos a combinação de modelos de machine learning, como árvores de decisão ou máquina de vetores de suporte - para extração de recursos - e a tradicional rede neural artificial - para classificação. Duas abordagens diferentes foram realizadas durante este projeto. Primeiramente, avaliamos o impacto de alguns parâmetros selecionados em apenas uma arquitetura RNC. Definindo os parâmetros, na sequência variamos a profundidade da arquitetura e/ou números de pesos: alterando os atributos de filtro(s) e/ou os neurônios nas camadas densas. Ao final, comparamos a melhor arquitetura analisada com os resultados do modelo VGG-16, treinado e testado para os padrões específicos de escoamento bifásico. Dentre todas as 294 arquiteturas testadas podemos selecionar 2 modelos que atingem a precisão de pelo menos 97\% para ambos os tipos de escoamento bifásico (ar-água e ar-óleo) no conjunto de dados de teste Abstract: Two-phase flows are commonly found in the chemical industries and can present different types of flow patterns. Normally, for a single-phase flow, mathematical modeling is applied to understand the flow behavior from physical phenomena. However, when two or more phases coexist, other characteristics need to be studied, such as the distribution of the phases along transportation pipelines. Over time, some researchers have tried to empirically determine the flow configuration by creating flow pattern maps with the superficial velocity of each phase, or by applying the ultrasonic method, radiography, tomography, and X-ray, among others. In order to contribute to the area, the scope of this work was dedicated to classifying three types of flow patterns – slug, churn, and dispersed-bubble – through the Convolutional Neural Network (CNN) technique for image classification. The images were extracted from videos of air-water and air-oil flows in vertical tubes recorded in high resolution and provided in a three-channel matrix of pixels representing RGB space color. After the pre-treatment to change the color space, the image resolution, and normalize the data, the images were sent to the mapping process with filters in order to extract features. In the sequence, the values obtained from the first stage were flattened into a vector for further classification. The convolutional neural network is a Deep Learning tool that replaced in many cases the combination of machine learning models, such as decision trees or supported vector machine - for feature extraction - and the traditional artificial neural network - for classification. Two different approaches were performed during this project. First, we evaluated the impact of some selected parameters in only one CNN architecture. Defining the parameters, in the sequence we vary the architecture depth and/or numbers of weights: changing the filter attributes and/or the neurons at the dense layers. In the end, we compared the best architecture analyzed to the results of the VGG-16 model trained and tested for the specific two-phase flow patterns. Among all 294 architectures tested we can select 2 models that reach the accuracy of at least 97\% for both types of two-phase flow (air-water and air-oil) in the test dataset Mestrado Engenharia Química Mestra em Engenharia Química CAPES 001

Orientador: Ricardo Augusto Mazza Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Esse trabalho investiga a influência do efeito da massa específica do gás na fração de vazio e gradiente de pressão em escoamentos verticais ascendentes. Um circuito modificado de refrigeração em cascata operando com fluido refrigerante R410a gera correntes monofásicas de líquido e vapor com diferentes razões de densidade. Essas correntes são misturadas e injetadas em uma seção de teste. A seção de teste é em aço inoxidável SCH 40 com ID de 26,64 mm e 5,8 m de comprimento. A faixa de pressão foi de 17 a 23 Bara, a razão de densidade variou de 10 a 15, enquanto o fluxo mássico total foi de 733.1 a 882.9 kg.s-1.m-2. Medições de frações de vazio foram realizadas por meio de válvulas de fechamento rápido, um medidor de temperatura não-intrusivo e medidores de pressão absoluta e diferencial. Os dados experimentais foram comparados com modelos de literatura para avaliar a capacidade de resposta dos modelos para os gradientes de pressão e relações de drift em cenários de alta pressão. Em relação ao mapa de fluxo, a razão de densidade muda significativamente as linhas de transição do padrão agitante e anular. A região do padrão agitante desaparece e a transição para o anular ocorrem em menores velocidades superficiais de vapor. A razão de densidade não influencia a fração de vazio e razão de velocidade de escorregamento; ambas aumentam com a velocidade superficial de vapor. Fatores de correção foram propostos para o gradiente de pressão e a respectiva parcela por fricção para propiciar uma melhor concordância com os dados experimentais. Em relação às relações de drift, o modelo de Ishii (1977) mostrou ser um pouco melhor que o modelo de Bhagwat and Ghajar (2014). A razão de densidade não influencia a relação de drift para uma faixa de número de Froude de 2,6 a 7,4 Abstract: The present work investigates the influence of gas density on the void fraction and pressure drop in an upward gas-liquid flow. An R410a modified cascade refrigeration cycle generates measured single-phase streams with different liquid and vapor density ratios, mixes, and injects into the test section. The test section was SCH40 stainless steel tube with 26.64 mm ID and 5.8 meters long. The pressure spans from 17 to 23 Bara, the liquid-vapor density ratio spans from 10.2 to 15.2, while the total mass flux spans from 733.1 to 882.9 kg.s-1.m-2. Quick close valves, non-intrusive temperature probes, and absolute and differential pressure sensor measures the void fraction, pressure gradient and head losses. The experimental data were compared to the literature model to access the model’s prevision capability for high gas-density scenarios not only for pressure gradient and head losses, but also for drift relationships. Regarding to flow pattern map, the density ratio significantly changes the churn and annular transition lines. The churn region disappears, and annular transition occurs with lower gas velocities. The density ratio does not influence the void fraction and slip velocity; both of them increase with the superficial vapor velocity. Correction factors for pressure gradient and head losses were proposed to achieve a better agreement with experimental data. Regarding to drift relationships, Ishii (1977) model showed a little better accuracy than Bhagwat and Ghajar (2014) model. The density ratio has no evident influence on the drift relationship with the Froude spanning from 2.6 to 7.4 Doutorado Térmica e Fluídos Doutor em Engenharia Mecânica

Orientador: Evaldo Miranda Coiado Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia Civil Resumo: A perda de carga, de misturas sólido-líquidas escoando em condutos forçados horizontais no regime heterogêneo, pode ser calculada, conhecendo-se um parâmetro adimensional «I» de transporte de sedimento. Este adimensional depende: da velocidade média do escoamento, da densidade relativa e do tamanho dos grãos sólidos, do diâmetro do conduto, e de uma constante determinada experimentalmente (KD). Dentro da literatura sobre o assunto, a constante KD assume diversos valores, dependendo do autor, o que deixa dúvidas se realmente ela é uma constante. Para a mistura água-areia, calculou-se os valores de KD, que se trata de um parâmetro que depende da vazão do escoamento, do diâmetro dos sólidos e da concentração da mistura, e não uma constante como se encontra na literatura. Para a mistura água-calcário, não se pode obter valores coerentes para KD. Esse comportamento atípico deve-se ao pequeno diâmetro representativo desse sólido. Foi desenvolvido uma equação para calcular o fator de atrito f da Fórmula Universal de Perda de Carga, de forma que se possa dimensionar uma tubulação de recalque para transporte dessa mistura Abstract: The head loss of solid-liquid draining mixtures in horizontal forced conduits in the heterogeneous regimen, can be calculated by knowing a parameter «I» of adimensional sediment carrier. This adimensional depends on the draining average speed, on the relative density and the solid grain size, on the conduit diameter, and on experimentally determined constant (KD). In this subject literature, constant KD assumes diverse values, depending on the author, what it means that it is not sure it is really a constant. For the mixture water-sand, one calculated the values of KD, that if deals with a parameter that depends on the outflow of the draining, of the diameter of solids and the concentration of the mixture, and not a constant as if it finds in literature. For the watercalcareous mixture, it is impossible to get coherent values for KD. This atypical behavior is due to the small representative diameter of this solid. An equation was developed to calculate the attrition factor f of the Head Loss Universal formula, on such way it can measure a stresses tubing to carry this mixture Mestrado Recursos Hídricos Mestre em Engenharia Civil

Orientador : Jose Maria Saiz Jabardo Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Campinas Resumo: Mostra-se, neste trabalho, o desenvolvimento de modelos semi-analíticos de previsão das transições bolhas-pistonado e pistonado-agitante em um escoamento gás-líquido vertical ascendente. Os resultados foram comparados com modelos analíticos e dados experimentais publicados. Um circuito de escoamento bifásico de água e ar, vertical, operável em baixa pressão, foi especialmente montado para que se obtivesse da- dos experimentais relacionados aquelas transições. Fotografias do escoamento e análises de propriedades dinâmicas do sinal de um sensor de resistividade mostraram que características importantes do escoamento não haviam sido, ate então, consideradas no modelamento das transições bolhas-pistonado e pistonado-agitante Abstract: The present work focus on developments of semi-analytical models for predicting the bubble-slug and slug-churn transition that are observed in a vertical upward gas- liquid flow. The results were compared with existing models and experimental data. An air-water vertical loop was constructed in order to obtain experimental data related to the mentioned transition regimes. The data were obtained through analyses of the dynamical properties of the signal from a resistivity probe. The results are also presented by photographs of the flow. Both photographs and signal data showed that important characteristics o£ the flow, of critical relevance when modeling the bubble-slug and the slug-churn transitions, had not been considered yet Doutorado Doutor em Engenharia Mecânica

Orientador: Ana Ines Borri Genovez Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo Resumo: Estruturas de queda com poços verticais podem ser utilizadas para drenagem urbana, dissipação de energia e como vertedores em barragens. No último caso, tem-se os vertedores com emboque tipo tulipa, formados por um perfil vertedor seguido de um poço vertical, que se liga a um túnel por meio de uma curva. A curva é um ponto crítico do dimensionamento do vertedor, pois, é onde o escoamento o deflete, causando elevadas pressões na sua parte convexa e subpressões na parte côncava. Este trabalho tem, como objetivo, o estudo experimental de um vertedor tipo tulipa, para definir uma melhor geometria para a curva de ligação poço-túnel. Um estudo experimental foi feito, empregando-se o modelo do vertedor de Paraitinga, em escala 1:51,02, utilizando novas geometrias para a curva, para avaliar as pressões e o arraste de ar. Pôde constatar-se a nfluência da geometria da curva, sendo que as novas curvas resultaram em um escoamento mais regular, acompanhando o traçado da curva, com pressões menores na parte convexa, além de uma maior vazão de afogamento do vertedor. Foram propostas equações para o cálculo da vazão de ar em função da concentração média do ar no escoamento. Através do estudo experimental comparativo entre as diferentes curvas se sugere o emprego da curva clotóide para ser usada na ligaçao poço-túnel Abstract: Vertical dropshafts can be used in drainage systems, energy dissipator and as dam spillways. In this case, they are called morning glory, and consists of an inlet followed by a shaft which joins a tunnel through a bend. The bend is a critical point in spillway sizing, therefore the flow deflects in this region and causes high pressures in the convex part of the bend and negative pressures in the concavous part. This paper cares for the experimental study to define a better geometry for the shaft spillway vertical bend. An experimental study has been carried out, using the spillway model of Paraitinga dam, which scale was 1:51,02, using new bend geometries, to evaluate pressures flow and air entrainment. The influence of the bend geometry has been noticed, and the new curves resulted in a more regular flow, that followed the trace of the curve, with smaller pressures in the convex part, besides a higher flow to submerge the spillway. Equations have been proposed to calculate air entrainment flow as a function of the average concentration of air. Through the experimental study to compare the different curves, one suggest the use of use clotóide curve, as a bend shaft Doutorado Recursos Hídricos Doutor em Engenharia Civil

Orientador: Silvia Azucena Nebra de Perez Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica Resumo: Este trabalho refere-se à análise do campo de velocidade do ar e tempo de residência dos sólios em um reator ciclônico. Os estudos são dirigidos para situações distintas daquelas em que esse aparelho é utilizado como separador. Neste caso, o equipamento opera com velocidades baixas, menores do que 10 m/s e com particulados grossos, 'd IND.P > 1/mm. Um conjunto de experimentos foi realizado no intuito de se conhecer melhor a fluidodinâmica no interior do ciclone. Os testes experimentais direcionaram-se à obtenção da distribuição bidimensional das componentes tangencial e axial de velocidade do ar e tempo de residência dos sólidos. Trabalhou-se com diversas condições de alimentação de particulados no seio da corrente fluida junto à entrada do equipamento, na faixa de concentração volumétrica, ¿10 POT.-6¿ < 'C IND.V¿ < ¿10 POT. ¿4¿. Além do estudo experimental, desenvolveu-se um modelo teórico que descreve os campos de velocidade das fases fluida e particulada e o tempo de residência dos sólidos, tendo como base as equações de conservação de massa e quantidade de movimento em sistemas particulados. Essas equações foram resolvidas por um procedimento numérico que acopla o Método das Linhas com um integrador do tipo Runge-Kutta de quarta ordem. Os resultados obtidos apresentaram boa concordância com os experimentais Abstract: This work involves the analysis of the air velocity field and particle residence time in a cyclonic reactor. ln this study the situations are distinct from those where the cyclone is used as a separation equipment. In this case gas velocities are low, less than 10 m/s, and particles are coarse, 'd IND.P > 1mm. A set of experiments were realized in order to verify fluid dynamics in the cyclone reactor. The experimental runs were performed in order to obtain two-dimensional distributions of the axial and tangencial components of air velocity and particle residence time. Particle volumetric concentrations in the fluid feed ranging from , ¿10 POT.-6¿ to ¿10 POT.-4¿ were investigated. A mathematical model describing fluid and particle velocity fields and particle residence time was also developed. The model was based on the conservation equations of mass and momentun transfer in particulate systems. The equations were solved using a numerical procedure involving the methods of lines and the '4 IND TH¿ order Runge-Kutta. The results obtained fiom this model were in good agreement wíth the experimental data Doutorado Térmica e Fluídos Doutor em Engenharia Mecânica

Orientador: Antonio Carlos Bannwart Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica e Instituto de Geociências Resumo: Considerados de grande importância na indústria petroleira, os óleos pesados constituem uma grande reserva a ser explotada e produzida. Devido a dificuldades associadas às propriedades do óleo como densidade e viscosidade, tem-se procurado métodos para produzí-lo e transportá-lo de forma econômica. Uma dessas técnicas é o corejIow, que é basicamente a injeção lateral de pequenas quantidades de água, com o fim de lubrificar o óleo, formando uma configuração concêntrica anular, onde o óleo ocupa o centro e a água a parte externa. Neste trabalho fizeram-se testes experimentaispara obter diversas informaçõessobre os padrões de fluxo em duto horizontal de um escoamento óleo pesado - água, com ênfase no padrão corejIow. Estabeleceuse uma análise de estabilidade unidimensional geral para o padrão anular liquido - líquido horizontal, através da qual chegou-se a um critério geral de estabilidade, o qual inclui o critério de Kelvin-Helmhotz, conseguindo representar bem os resultados experimentais. Os dados coletados no laboratório também permitiram desenvolver um modelo para cálculo das perdas de pressão e da fração volumétrica com correlações que consideram os fenômenos fisicos relevantes: turbulência do anel, escorregamento entre as fases, molhabilidade e rugosidade da parede e as ondulações no núcleo de óleo. O uso do corejIow consegueu reduzir a perda de pressão em até 225 vezes em comparação com o óleo sozinho Abstract: Heavy oi! has a growingimportancein the oi! industry,given the amountof its largeand unexploited reserves. Because of the natural difficulties reIated to its physical properties - higb viscosity and density - researchhas been focusedon how to produce and transportheavyoi] economically. Oneofthemostpromisingtecbniquesinvestigated, nownascore-annularflow 01 coreflow, is based on the lateral injection of few amounts of water, so as to lubricate the oil and form an annular liquid-liquid flow pattern, with the oi! in the center, surrounded by a watel annulus. In this work, experiments were performed in a horizontal pipe, in order to obtain detailed information on different heavy oil-water flow patterns, with special interest on the core flow pattern. A one- dimensional approach to the stability ofhorizontalliquid-liquid annular flow was developed and a general stability criterion was derived, which incIudes the Kelvin-HelInholtz criterion as a special case, and gives good agreement with the laboratory measurements. The data coIlected also allowed to develop pressure drop and holdup models taking into account alI relevant physical phenomena: annulus turbulence, slip between the phases, wall wettability and roughness and interface waviness. In the present experiments, pressure drop was reduced up to 225 fold in core flow compared with the flow of an equal amount of the oi! Mestrado Reservatórios e Gestão Mestre em Ciências e Engenharia de Petróleo

Orientador: Cesar Costapinto Santana Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Campinas Resumo: No presente trabalho, foi realizado estudo da dinâmica do escoamento gás-sólido vertical concorrente gás-sólido vertical concorrente e contra-corrente, considerando-se o efeito da aceleração do fluído e das partículas sólidas ¿Observação: O resumo, na íntegra poderá ser visualizado no texto completo da tese digital. Abstract: This work deals with countercurrent and cocurrent solid-gas flow through a vertical tube, includg the acceleration effect on the and solid particles ...Note: The complete abstract is available with the full electronic digital thesis or dissertations. Mestrado Mestre em Engenharia Química

Orientador: Sandra Lucia da Cruz Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: Estudos de reatores bioquímicos do tipo airlift são recentes e pouco encontrado na literatura. O presente trabalho estuda as características hidrodinâmicas destes reatores, operando com líquidos característicos de sistemas fermentativos em função das condições de escoamento e geometria do equipamento. A circulação de líquidos altamente viscosos realizada em reatores airlift foram investigadas para diferentes condições de fluxo de gás, altura de líquido, viscosidade de líquido e diâmetros do distribuidor de gás e do duto de transporte. Medidas de fração de gás retido e observações dos regimes de fluxo bifásico foram realizados. Tais observações forneceram subsídios para a obtenção da correlação empírica que descreve a circulação de líquido no reator, em função das variáveis experimentais. O sistema gás líquido foi ar-água e ar-soluções aquosas de poli acril amida (0,13% e 0,3% em peso). Os dutos de transporte utilizados eram de acrílico com diâmetros de 27 e 53 mm e 2 metros de altura. Os injetores de gás utilizados foram de 2,5, 5 e 10mm de diâmetro. Os resultados obtidos mostram que o regime de escoamento predominante na maioria dos experimentos é o pistonado. A fração de gás retido depende do tempo de aeração. A circulação de líquido e a retenção de gás são fortemente influenciados pela vazão de gás. A fração de gás retido aumenta e a circulação de líquido decresce com o aumento da viscosidade de líquido Abstract: Not informed. Mestrado Sistema de Processos Químicos e Informatica Mestre em Engenharia Química

Orientador: Eugenio Spano Rosa Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica Resumo: Uma mistura de gás e líquido escoando em um tubo para uma larga faixa de vazões tem as fases gás e líquido distribuídas na tubulação de forma intermitente. Esse padrão é caracterizado por uma sucessão de longas bolhas seguidas de pistões de líquido que não ocorrem com tamanhos e periodicidade definidos devido às interações cinemáticas e dinâmicas que ocorrem entre as bolhas e os pistões de líquido. O comprimento, a velocidade e a freqüência das estruturas gás e líquido formadas são influenciados por diversos parâmetros do escoamento podendo-se citar: as vazões de gás e líquido, o diâmetro da linha, a densidade e a viscosidade dos fluidos entre outros. O presente trabalho tem por objetivo analisar o efeito da variação da viscosidade na caracterização das estruturas gás-líquido. O aparato experimental consiste de um misturador gás-líquido posicionado na entrada da seção de testes. Ela consiste de tubo de acrílico transparente de 23,4 m de comprimento, com 26 mm de diâmetro interno, totalizando 900 diâmetros livres. Dois pares de fluidos são testados: ar e água e ar com uma mistura de glicerina. Tomando-se como referência a viscosidade da água, 1 cP, a mistura de glicerina mais água apresenta uma viscosidade de 27 cP. As medidas instantâneas do escoamento tais como comprimentos, velocidades e freqüências são obtidos por meio de quatro estações de medidas. Elas são compostas por um par de sondas paralelas e estão localizadas a 127, 267, 494 e 777 diâmetros do misturador. Os testes são conduzidos para os mesmos pares de vazões de líquido e gás de forma que os efeitos da alteração da viscosidade do líquido possam ser evidenciados. Os resultados são apresentados em termos de valores médios, dos histogramas das populações e também por meio de correlações a medida que elas evoluem do misturador até a saída da seção de testes revelando de que maneira a mudança da viscosidade influi nestes parâmetros Abstract: A gas-liquid mixture flowing through a pipe for a large flow range has its gas and liquid phases distributed intermittently along the pipe. This flow pattern is characterized by a succession of elongated bubbles and liquid slugs that do not occur with size and frequency defined due to the interactions between bubbles and liquid slugs. The length, speed and frequency of the gas-liquid structures are influenced by several flow parameters such as: gas and liquid flow rates, pipe diameter, fluids densities and viscosities, among others. The main goal of this work is to analyze the viscosity effect on characterization the gas-liquid structure. The experimental apparatus consists of a gas-liquid mixer located at the inlet of the test section. The test section is transparent acrylic pipe with 26 mm ID 23.4 m long. Two couples of fluids are tested: air-water and airglycerin solution. The water viscosity is of 1 cP, while the water-glycerin solution is of 27 cP viscosity. The lengths, speeds and frequencies of the gas-liquid structures are obtained by four measurement stations positioned along the test section. They are made of a couple of parallel wire probes are located at 127, 267, 494 and 777 diameters from the mixer. The tests are performed employing the same liquid and gas flow rates for both A@W and A@G allowing a straightforward analysis of the viscosity variation effects. The results are presented in terms of mean values, population histograms and also through mathematical correlations about the evolution along the test section, disclosing how the viscosity variation affects those parameters Mestrado Térmica e Fluídos Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Luiz Felipe Mendes de Moura Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica Resumo: Este trabalho visa estudar o fenômeno da separação de fases que ocorre em um tê vertical, utilizando um programa de computador bidimensional baseado no modelo de dois fluidos, para representar o comportamento do escoamento bifásico, e no método dos volumes finitos, para discretizar as equações de conservação. Como partes essenciais deste estudo temos o desenvolvimento de um termo local de difusão viscosa para o modelo, assumindo escoamento laminar, como também o estudo de uma equação constitutiva para a transferência interfacial de quantidade de movimento, representativa para a simulação do fenômeno. A separação das fases foi simulada para valores 0.5 e 1 da razão entre os diâmetros do braço lateral e do ramo principal, de acordo com dados experimentais encontrados na literatura. Uma detalhada distribuição da fração de vazio, pressão e função de corrente é apresentada a partir dos resultados numéricos. Os valores preditos demonstram que o modelo utilizado consegue predizer razoavelmente a separação das fases, quando a taxa de extração é maior que 0.3, apresentando desvio médio de 10 % em relação aos dados experimentais. Para baixas extrações, um modelo tridimensional pode ser desejado para representar o fenômeno. Verificou-se, neste caso, uma tendência para subestimar a separação, com desvio médio de 25 % Abstract: The main objective of this work is to study the phase separation phenomena in a vertical tee. A two-dimensional computer code was used to solve the two-fluid model equations, using the finite volume method. A fundamental part is the development of simple model to viscous diffusion term, assuming laminar flow. Special attention is directed to the modelling of the constitutive equation for the interfacial friction term. The phase separation was simulated considering two values of branch-to-inlet diameter ratio, 0.5 and 1, according to reported experimental results . Detailed distributions of void fraction, pressure and velocity of both phases are presented. A good agreement was obtained between the computer code results and the experimental data, when the extraction rate was greater than 0.3. The mean deviation for these data was about 10 %. For lower extraction rate, a three - dimensional model would be more suitable. ln this case, the mean deviation for alI data was about 25 %, with a tendency of the split ratio to be under predicted. Mestrado Mestre em Engenharia de Petróleo

Orientadores: Ibere Nascentes Alves, Luis Felipe Mendes de Moura Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica Resumo: A previsão de temperatura e pressão transitória em tubulações e poços que escoam misturas bifásicas de hidrocarbonetos é de fundamental importância no que diz respeito ao projeto de instalações de produção. A deposição de sólidos tais como parafinas, asfaltenos e etc. só pode ser corretamente prevista se for possível determinar o estado dos fluidos em cada ponto da tubulação. A deposição de sólidos assim como a previsão de condições de operação na calibração de válvulas de gás Iift e a influência da variação da temperatura nas. condições hidrodinâmicas do escoamento, são alguns dos problemas que podem ser resolvidos por este tipo de previsão. Neste traba1ho, um modelo para calcular pressão e temperatura transitórios em poços de petróleo e oleodutos é desenvolvido a partir da solução numérica de um sistema de equações de conservação. São levados em conta os' efeitos de deslizamento entre as fases, transferência de calor transitória para as formações, transferência de massa entre as fases e o comportamento termodinâmico das fases. A transferência de calor transitória em poços é resolvida no campo de Laplace e a transformada inversa é obtida, utilizando a convolução numérica aproximada por intervalos lineares e comparada com a modelagem transferência de calor pelo já clássico método de Ramey, desenvolvido para regime permanente hidrodinâmico e regime quase permanente de temperatura. Em oleodutos, adota-se solução semelhante a de Coulter & Bardon. Para a determinação das propriedades dos fluidos utiliza-se o modelo "black-oil". São obtidas soluções numéricas típicas tanto para escoamento águaar sem transferência de massa como para escoamento de gás-óleo com transferência de massa. Um estudo de variação de parâmetros indica quais são as variáveis do problema que maior influência tem na resposta do sistema. Finalmente são comparadas soluções numéricas de longo tempo com medições de temperatura em regime permanente feitas no campo para validação do modelo como preditor de temperaturas Abstract: The transient pressure and temperature prediction in two-phase hydrocarbons mixtures flowing in wells and pipelines is fundamental in production pIants designo The soIid deposition like parafines, alfaltenes and so on, is correctly predicted only if the fluid states are known in aI1 sections of the pipeline. The soIid depositioo, the prediction of operational conditions for gas Iift valves caIibration and the effect of temperature variations the hydrodynamics conditions are some problems that such prediction can be helpful. In this work, a model to calculate the transient temperature and pressure in wells and pipelines is developed by the numeric solution of a set of conservation equations. It takes into account the effects of the drift between the phases, transient heat transfer to the ground formations, mass transfer between the phases, and the thermodynamics behavior of the phases. The transient heat transfer to the formation in wells is solved in the domain of Laplace and inverted by a numerical convolution approxlmated by linear sections and this solution is compared with the classical method developed by Ramey for hydrodynamic steady state and temperature quasi steady state. In pipeIines the numerical solution is similar to Coulter and Bardon expression. The fluids properties are caculated by the black-oil model. Typical numerical solutions are obtainned for air-water flow without mass transfer and for gas-oil flow with mass transfer. A parameter variation study indicates which variables has the major effects in the system response. Finally, long time numerical temperature solutions are compared with steady state field measures to valida te the model as a temperature predictor Mestrado Mestre em Engenharia de Petróleo

Orientadores: Milton Mori, Henry França Meier Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: O modelo gás-sólido tridimensional empregado neste trabalho pressupõe o comportamento invíscido da fase sólida, que consiste na ausência de tensões laminares ou turbulentas na fase sólida, que são comumente utilizadas como hipótese simplificadora na solução de problemas de escoamento gás-sólido diluído. Pretende-se aplicar e corroborar o modelo invíscido, transiente e tridimensional, para o transporte vertical e horizontal de partículas, mediante comparação dos experimentos numéricos com dados experimentais obtidos em experimento fisico com a técnica de PDA ("Phase Doppler Anemometer"), apresentado, em detalhes, na literatura. Para a resolução das equações diferenciais parciais do modelo foi empregado o código comercial de CFD, o CFX 4.4 da AEA Technology, que baseia-se no método numérico dos volumes finitos para a discretização numérica. Acoplamento pressão-velocidade do tipo SIMPLEC, modelo de turbulência k-E padrão para a fase gás e esquemas de diferenciação de várias ordens, foram utilizados como estratégias para garantir solução numérica estável e convergente. A comparação com dados da literatura, apresenta uma boa concordância, assegurando futuras aplicações do modelo para casos industriais. Um estudo de caso da indústria de cimento, especificamente o escoamento de ar terciário a partir do forno para o calcinador, foi analisado com o objetivo de se determinar o efeito de uma curva auto-limpante, na seção de transporte horizontal, sobre a distribuição de partículas na seção transversal do duto para, com isso, minimizar a deposição nas paredes inferiores do duto, conforme observado na prática. Animações da formação do campo de fração volumétrica de sólidos mostram que a curva auto-limpante promove uma redistribuição da fase sólida ao longo da seção transversal, podendo, por conseqüência, ser utilizada como medida para prolongar a vida útil do duto de ar terciário Abstract: The three-dimensional (3-D) gas-solid model employed in this work presumes the inviscid behavior of the solid phase, commonly used as simplifier hypothesis in the problem solutions of the dilute gas-solid flow. It is intended in this work to apply and corroborate the 3-D, transient, inviscid model, for the horizontal and vertical partic1e conveying, by comparing the numerical results with experimental data, obtained with PDA ("Phase Doppler Anemometer") technique presented in the literature. For the solutions of the parcial diferencial equation models was employed the commercial code CFD, the CFX 4.4 developed by ABA Technology, based on the numerical method of finite volumes for the numerical discretization. The pressure-velocity coupling by SIMPLEC algorithm, k-g turbulence default model and several order diferencial scheme, were used as strategies to guarantee convergency and stability of the numerical solution. The results reason compare with literature data, show a good agreement, making sure future model applications for industrial cases. A study in the cement industry, specifically the tertiary air flowing from the kiln to the ca1ciner, was made with the objective of determining the effect of a self cleaning elbow in the horizontal transport section, over the partic1e distribution in the duct transversal section, as so, minimizing particles rope formation in the bottom of the duct, as observed in practice. Animations of the solid volume fraction field formation show that the self-c1eaning elbow promotes a solid phase redistribution in the transversal section, being, as consequence, be used as measure to prolong the useful life of the tertiary duct Mestrado Desenvolvimento de Processos Químicos Mestre em Engenharia Química

Orientador: Eugenio Spano Rosa Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica Resumo: O presente trabalho investiga os mecanismos de separação sólido-líquido em separadores tubo-ciclônicos. O trabalho é desenvolvido a partir de testes experimentais e simulação numérica. A etapa experimental investiga a influência do aumento de viscosidade sobre a eficiência do separador. Através de uma análise dimensional, os dados experimentais são reduzidos em grupos adimensionais. Obtem-se uma correlação entre a eficiência de separação e os grupos adimensionais. Ela revela como a eficiência depende dos parâmetros geométricos e operacionais do separador. A correlação obtida possibilita dimensionar estes separadores para cenários com elevada viscosidade. As simulações numéricas são realizadas utilizando um método de volumes finitos. O processo de separação é estudado através do adimensional Stokes. São introduzidos os conceitos de superfície de captura e tempo de residência de partículas. Define -se um importante parâmetro do escoamento, o comprimento de decaimento. Propõe-se um modelo unidimensional para o separador. Realiza-se com base neste modelo uma análise comparativa entre dois separadores. Os resultados são coerentes com dados experimentais e indicam quais características geométricas melhoram a eficiência do separador Abstract: This work investigates the solid-liquid separation mechanisms in swirl tubes through experimental and numerical analysis. In the experimental phase, it is analyzed the impact of the viscosity increase on the separation efficiency of swirl tubes. The experimental data are reduced using dimensional analysis. A functional relationship between the separation efficiency and the dimensionless groups is obtained, allowing to calculate the separation efficiency dependency on the liquid viscosity, flow rate, particle size, and other geometrical parameters of the separator. This relationship helps to design these desander devices to scenarios with high viscosity. Numerical simulations are carried out in a structured grid using a finite volume method. Separation process is studied through the Stokes number. The concepts of capture surface and residence time of particles are introduced and an important flow field parameter, the length of decay is defined. A one-dimensional model is proposed for the swirl tube. A comparative analysis between two separators is done based on the one-dimensional model. The results are in agreement with experimental data and indicate which geometrical features help to improve the separator efficiency Mestrado Térmica e Fluídos Mestre em Engenharia Mecânica

Orientadores: Fernando de Almeida França, Edson Yoshihito Nekagawa Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica Resumo: O presente trabalho apresenta os resultados de uma investigação experimental realizada para avaliar a influência de um meio não-newtoniano e da inclinação da tubulação sobre a velocidade de ascensão de bolhas alongadas. o aparato experimental consiste de um tubo de acrílico transparente de 9,44 m, com diâmetro interno de 77,2 mm, que pode se fixado em qualquer inclinação entre as posições horizontal e vertical. Foram utilizadas válvulas de fechamento rápido para a medição da fração de vazio volumétrica, e sondas de condutividade elétrica para a determinação da velocidade e comprimento das bolhas alongadas. Foram realizados 622 testes, tendo ar como a fase gasosa e uma solução de goma xantana como o fluido de perfuração com comportamento não-newtoniano, para diversas inclinações do tubo. Adicionalmente, foram realizados 619 testes com a mistura ar-água. Os resultados experimentais foram comparados com trabalhos já publicados Abstract; This work shows the results of an experimental investigation carried out to evaluate the influence of a non-Newtonian medium and pipe inclination on the rise velocity of elongated bubbles. The experimental apparatus consists of a 9.44 m long transparent pipe with 77.2 mm inside diameter that can be set at any inclination from vertical to horizontal. It contains ball valves that allows measurements of volumetric void fractions, and electrical conductivity probes for length and velocity determination of elongated bubbles. For several pipe inclinations, 622 tests were run using air, as the gas phase, and Xanthum Gum solution, as the drilling fluid with non-Newtonian behavior. Additional 619 tests were run for air-water mixture. The experimental results were compared with previous works Mestrado Mestre em Engenharia de Petróleo

Orientador: Marcelo Souza de Castro Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: O estudo dos escoamentos multifásicos é base teórica para inúmeras aplicações. Diversos trabalhos buscaram entender o fenômeno a partir de diferentes frentes, entre eles: identificação dos padrões de escoamento formados; quantificação de frações de cada componente; quantificação das velocidades e parâmetros de escorregamento entre eles; além de estudos de perda de pressão bifásica. No presente trabalho analisou-se a influência do diâmetro da tubulação em busca de hipóteses que pudessem orientar os experimentos na horizontal utilizando água e ar. Foram montadas quatro bancadas experimentais com uma, duas, três e quatro polegadas de diâmetro nominal. Variados parâmetros foram medidos, ou calculados, como vazões e velocidades, perda de pressão e propriedades dos fluidos, além de serem estudados os padrões de escoamento formados, com identificação visual e uso de assinatura temporal de pressão diferencial. Mapas dos padrões de escoamento foram apresentados, mostrando pouca variação entre os diâmetros de uma e duas polegadas, mas com mudanças nas regiões de transição para os dois maiores diâmetros, além da identificação do padrão estratificado ondulado na região de transição para os padrões intermitentes. Além disso as variações das perdas de pressão bifásica, em função das velocidades superficiais e das frações de injeção de cada fase, mostraram crescimento com a redução do diâmetro. A perda de pressão bifásica foi comparada em até quatro diâmetros e identificou-se sua variação na forma inversamente proporcional a uma potência do diâmetro do tubo cujo valor varia entre 1,2 e 1,8, para mesmas velocidades superficiais, ou entre 2,6 e 3,22 mantendo-se constante o Reynolds de cada fase. O modelo homogêneo mostrou-se promissor para cálculo da perda de pressão bifásica em todos os diâmetros estudados Abstract: The study of multiphase flows is the theoretical basis for many applications. Several works sought to understand the phenomenon from different fronts, among them: identification of flow patterns; quantification of void fraction; quantification of velocities and slip parameters between each component; besides the studies of pressure drop. In the present work the influences of the pipe diameter were analyzed in search of hypotheses that could guide the experiments in the horizontal one using water and air. Four experimental benches were assembled with one, two, three and four inches of nominal diameter. Several parameters were measured, or calculated, such as flow rates and velocities, pressure drop and fluid properties, in addition to studying the flow patterns with visual identification and signal analysis of the differential pressure signature on time. Flow pattern maps were presented, showing almost no differences between diameters of one and two inches, but changed transition regions for the bigger diameters, besides the identification of the stratified-wavy pattern in the transition region to the intermittent patterns. In addtion, the variations of two phase pressure losses for each diameter as a function of superficial velocities and injection fractions of each phase, showed growth with decreasing diameter. Comparisons with similar flow conditions of superficial velocities and Reynolds number were performed in up to four of the diameters and its variation in the shape inversely proportional to a power of the tube diameter whose value varies between 1.2 and 1.8, for the same superficial velocities, or between 2.6 and 3.22 keeping the Reynolds constant for each phase. The homogeneous model proved to be promising for the calculation of two phase pressure loss in all diameters studied Mestrado Térmica e Fluídos Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Maria Aparecida Silva Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: O presente trabalho trata do estudo da influência da geometria do ciclone no seu comportamento fluidodinâmico. O escoamento gás-particulas no interior do bidimensional e turbulento, onde a fase particulada é tratada como um continuum. Adimitiu-se, com viscosidade turbulenta variável. Como condição de Navier-Stokes foram escritas em coordenadas cilíndricas. A solução numérica das equações foi obtida utilizando-se o algoritmo SIMPLE, onde as equações discretizadas foram obtidas pela integração das equações diferenciais no volume de controle, usando-se par o esquema ¿power-law¿. Os resultados obtidos demonstram que o comportamento fluidodinâmico do ciclone é fortemente afetado pela geometria do mesmo, influenciando no tempo de residência das partículas. A medida em que o ângulo diminui, a altura da parte cilíndrica aumenta e, principalmente o diâmetro aumenta, o tempo de residência das partículas aumenta, indicando que a geometria deve ser modificada dependendo do uso que se quiser dar ao ciclone Abstract: In this work, it was the cyclone geometry influence in this fluidynamics behavior. A mathematical model was developed to simulated the gas-particles flow in a cyclone, considering a two-dimensional turbulent gas-particle flow and using a continuum model for particle phase. The boundary conditions were considered the particles slipness on the cyclone wall. The Navier-Stokes equations were written in cylindrical coordinates. The numerical solution was obtained using SIMPLE algorithm. The results showed that fluidynamics behavior of the cyclone is strongly affected by geometry, influencing on the permanence time of the particles. While the angle decreases, the cylindrical part height increases and, mainly, as the diameter increases the permanence time of the particles increases, showing that the geometry should be modified begin conditioned on the use we would like to give the cyclone Mestrado Engenharia de Processos Mestre em Engenharia Química

Orientador: Sergio Nascimento Bordalo Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica Resumo: Neste trabalho desenvolveu-se um simulador bifásico padrão anular transiente unidimensional utilizando o modelo de dois fluidos foi desenvolvido. Neste simulador são consideradas as equações de conservação de massa e de conservação da quantidade de movimento para cada fase, além disto é considerado o fenômeno de asperção/ deposição. Este simulador é utilizado como ferramenta para se analisar a estabilidade interfacial do escoamento anular a partir do estudo de ondas solitárias no meio bifásico. Uma análise linearizada de estabilidade para o padrão anular é proposta, levando-se em conta o efeito da compressibilidade no mecanismo de estabilização interfacial. Os resultados obtidos das simulações de ondas solitárias são comparados com dados experimentais de transição do padrão anular comprovando-se boa concordância. Este estudo demonstra, também, o efeito da compressibilidade nos limites de estabilidade do escoamento Abstract: The goal of the present work is the development of a one-dimensional simulator for the transient two-phase annular flow using a two-fluid model. The simulator includes the conservation equations for mass and momentum, and takes into account the fenomena of entrainment/deposition of suspended liquid droplets in the gas core flow. The simulator is used as a tool in the study of interfacial stability of the annular flow through the behavior of solitary waves in the two-phase media. A linear analysis of stability is presented, which includes the effect of the gas compressibility. The results show good agreement with data for annular transition. Furthermore, this study demonstrates tthe crucial role of the gas compressibility in the stability limits Mestrado Mestre em Engenharia de Petróleo

Orientadores: Alvaro Marcello Marco Peres, Antonio Claudio de França Correa Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica Resumo: Os métodos existentes para a análise de testes em poços não surgentes pressupõem fluxo monofásico. Este trabalho investiga os efeitos do fluxo bifásico óleo-água na análise de testes deste tipo. O estudo baseia-se em um simulador numérico radial, totalmente implícito, que acopla modelos para o fluxo isotérmico bifásico óleo-água no poço e reservatório. O modelo de poço reproduz a condição de contorno interna de um poço não surgente não considerando os efeitos inerciais e de fricção. Duas situações que resultam em fluxo bifásico óleo-água em um teste são analisadas: (1) perfil de saturação inicial de água uniforme no reservatório e superior à saturação de água crítica, e (2) presença de uma região de maior saturação de água próxima ao poço. O comportamento no tempo e no espaço de importantes variáveis, tais como, saturação de água, mobilidade total, fluxo fracionário, fator de película aparente, é mostrado para os casos simulados. Comparações entre as respostas bifásicas no fluxo e estática e as respectivas soluções analíticas monofásicas são realizadas. Alguns métodos monofásicos de interpretação são aplicados aos casos simulados e as respostas comparadas aos dados de entrada do simulador. As principais conclusões são: (1) os métodos monofásicos podem ser usados para analisar a resposta bifásica de um poço não surgente, desde que a saturação inicial no reservatório seja constante e, (2) quando existe uma pequena a média zona de invasão próxima ao poço, a interpretação do período da estática por métodos monofásicos resulta em uma boa estimativa da mobilidade total da zona não invadida. O valor do fator de película calculado pelo período de estática tem uma parcela aparente, que representa a queda de pressão adicional provocada pela existência de uma zona de mobilidade alterada próxima ao poço no instante do fechamento. A mobilidade total e o fator de película calculados a partir da interpretação do período de fluxo podem não ser representativas das propriedades da zona não invadida Abstract: Existing methods for the analysis of Slug Tests and DrillStem Tests (DST's) are based on single-phase flow theory. This work considers the effects of the water-oil two-phase flow on the analysis of these kind of tests. This study is based on a fully implicit radial numerical model, which couples the wellbore and reservoir equations for isothermal water-oil two-phase flow. The wellbore model reflects the Slug and DST's inner boundary conditions for cases where inertial and frictional effects are assumed to be negligible. Two situations that result in oil-water flow in a test are considered: (1) initial water saturation profile over the whole reservoir is uniform and above connate water saturation value, and (2) presence of a region of higher water saturation next to the wellbore. The behavior in time and space of important variables such as water saturation, total mobility, fractional flow, apparent skin, is shown for different cases. Simulator results, for both flow and buildup periods, are compared to available single-flow analytical solutions. A few single-flow analysis procedures are applied to synthetic data and compared to the input data values. The main conclusions of this work are: (1) single-phase methods can be used to analyze oil-water slug and buildup data, provided the initial saturation profile is uniform, and (2) when a small to medium invasion zone exists next to the wellbore, single phase analysis methods applied to buildup data give a reliable total mobility estimate of the uninvaded zone. Skin factors calculated from buildup data have an apparent part, which represents an additional pressure drop due to the zone of altered mobility next to the wellbore at the moment of shut-in. Total mobility and skin factor estimates calculated from the flow period may not represent the properties of the uninvaded zone Mestrado Mestre em Engenharia de Petróleo

Orientador: Sergio Nascimento Bordalo Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica Resumo: o objetivo deste estudo é pesquisar experimentalmente a separação de um fluxo bifásico sob condições de padrão de fluxo estratificado ondulado e anular em uma junta "tê" horizontal de configuração regular e irregular. Os dados da separação foram adquiridos para uma extensa série de condições de fluxo estratificado ondulado e anular; os dados experimentais incluem medições de razões de separação gás-líquido e distribuição da pressão ao longo dos tres ramos. Analisando os dados se observa uma forte dependencia do fenômeno da separação sob o padrão de fluxo existente a montante da junta "tê". Comparando os dados de separação entre uma tê de configuração regular e irregular sob as mesmas condições de fluxo de entrada observa-se que, para condições de fluxo estratificado, ocorre uma substancial redução da fração de líquido que se desvia para o ramo lateral. Para fluxo anular, no entanto, a redução do líquido desviado para o ramo lateral é muito pequena. Grande queda de pressão ocorre no ramo lateral no "tê" de configuração irregular. Isto é mais pronunciado para fluxo anular. O modelo geométrico estudado (Shoham et al. 1987) para predizer o fenômeno da separação em um "tê" regular e em um "tê" irregular comparado com os dados experimentais não apresenta uma boa concordáncia com os resultados experimentais Abstract: The objective of this study is to investigate experimentally the splitting of two-phase flow under conditions of stratified wavy and annular pattems in horizontal tee-junctions of regular and irregular configurations. Data were acquired for a wide range of stratified wavy and annular flow conditions; experimental data include measurements of the gas and liquid splitting ratios and the pressure distribution along the three arms of the junction. The results show a strong dependence of the splitting phenomenon on the flow pattern existing upstream of the tee. For the stratified wavy flow condition. Comparison of the irregular tee and the regular tee splitting under the same inlet flow condition reveals a substancial reduction in the fraction of the liquid intake that flows to the lateral branch. For the annular flow, however, that reduction is very small. Higher pressure drop occurs in the irregular branch armoThis is . more pronounced for annular flow. The geometrical model estudied (Shoam et al. 1987) for prediction of the splitting phenomenon through regular and irregular tees does not show a reasonable agreement with the data Mestrado Mestre em Engenharia de Petróleo

Orientadores: Fernando de Almeida França, Francisco Jose S. Alhanati Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica Resumo: Um modelo matemático foi desenvolvido para previsão e análise de desempenho de bombas hidráulicas a jato com sucção bifásica. Baseado na fenomenologia do escoamento, o modelo descreve o processo do escoamento no bocal, sucção e garganta-difusor do equipamento. As equações de conservação da massa, quantidade de movimento e energia são aplicadas, em uma formulação unidimensional, ao escoamento de misturas consideradas homogêneas. O modelo desenvolvido difere dos disponíveis para bombeamento de misturas bifásicas, por considerar os efeitos da compressibilidade da fase gasosa. Os dados experimentais levantados por Jiao (1988), testando modelos industriais de bombas a jato, na Universidade de Tulsa, foram utilizados para calibrar o modelo, gerando valores adequados para os coeficientes de dissipação implícitos nas equações. Os valores para estes coeficientes de dissipação foram obtidos com a minimização do desvio médio quadrático entre os valores medidos e calculados do parâmetro adimensional representativo do ganho de pressão dos fluidos succionados Abstract: A mathematical model was developed to predict and analyze the performance of hydraulic jet pumps, when pumping two-phase mixtures. Based on the phenomenology of the flow, the model describes the flow through the nozzle, the suction and the throat-diffuser of the device. Equations for the conservation of mass, momentum and energy are applied to a homogeneous flow, in a one dimensional approach. The developed model takes into account the effects of the compressibility of the gas phase flowing throughout the pump. Experimental data collected by Jiao (1988), while testing industrial jet pumps at the University of Tulsa, were used to calibrate the model, generating the dissipative coefficients implicit in the equations. The adequate values for the coefficients were obtained by minimizing the squared deviation between the measured and the calculated values of the dimensionless parameter representing the pressure gain of the suctioned fluids Mestrado Mestre em Engenharia de Petróleo

Orientador: Marcelo Souza de Castro Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: A Bomba Centrífuga Submersa (BCS) é um importante método de elevação artificial utilizado na produção de petróleo. A BCS consiste em uma bomba com múltiplos estágios, que fornece energia ao petróleo para elevá-lo até as instalações de produção. Infelizmente, algumas condições operacionais dificultam a utilização de BCSs. O funcionamento com gás e fluidos viscosos pode provocar a degradação do desempenho da bomba. Um exemplo de fluido com elevada viscosidade é a emulsão, uma mistura de água com óleo. O objetivo geral deste trabalho é estudar escoamentos bifásicos líquido-líquido no interior de BCSs, identificar os padrões de escoamento e investigar o movimento de gotas de óleo e gotas de água. Para isso, utilizou-se uma bancada experimental com um protótipo de BCS projetado para viabilizar a visualização do escoamento no interior dos canais do rotor. A montagem experimental foi modificada a fim de possibilitar a injeção de um líquido disperso em um meio líquido contínuo. Experimentos foram realizados em diferentes rotações e vazões, com escoamentos óleo-em-água e água-em-óleo. Uma câmera de alta velocidade capturou fotografias que indicaram a ocorrência de um único padrão de escoamento nas condições testadas, chamado de "gotas dispersas". Resultados qualitativos e quantitativos revelaram as características e o comportamento das gotas, no que diz respeito a geometria, diâmetro, trajetória, velocidade, aceleração e forças. Em geral, as gotas apresentam formatos variados e irregulares, mas muitas possuem formas esférica ou elíptica; observa-se a quebra de gotas, porém nenhuma coalescência nos canais do impelidor; as gotas executam trajetórias aleatórias, mas muitas movem-se no centro dos canais, enquanto algumas permanecem nas proximidades das pás; o tamanho das gotas é inversamente proporcional à rotação da bomba e à vazão da fase contínua; a velocidade das gotas depende da sua posição no canal e das condições do escoamento; o mesmo ocorre com a aceleração, consequência das forças de arrasto e de pressão, somadas aos efeitos centrífugos, todos responsáveis por governar o movimento das gotas. Nas condições testadas neste trabalho, foram encontradas velocidades na ordem de unidades de metros por segundo, acelerações que chegam a centenas de metros por segundo ao quadrado e forças em torno de milésimos de Newton Abstract: The Electrical Submersible Pump (ESP) is an important artificial lift method used in oil production. The ESP consists of a multi-stage pump, which supplies energy to the oil to lift it to the production facilities. Unfortunately, some operating conditions make it difficult to use ESPs. Operation with gas and viscous fluids can cause degradation of pump performance. An example of high viscosity fluid is the emulsion, a mixture of water and oil. The general objective of this work is to study two-phase liquid-liquid flows within ESPs, to identify flow patterns and to investigate the movement of oil droplets and water droplets. For this, an experimental facility was used with an ESP prototype designed to allow flow visualization in the impeller channels. The experimental setup was modified in order to support the injection of a dispersed liquid into a main continuous liquid. Experiments were performed at different rotational speeds and flow rates, with oil-in-water and water-in-oil flows. A high-speed camera captured photographs that indicated the occurrence of a single flow pattern in the experiments performed in this work, called "dispersed droplets." Qualitative and quantitative results revealed the characteristics and behavior of the droplets, with respect to geometry, diameter, trajectory, velocity, acceleration and forces. In general, the droplets have varied and irregular shapes, but many have spherical or elliptical forms; breakage of droplets is observed, but no coalescence within the impeller channels is noticed; the drops perform random trajectories, but many move in the center of the channels, while some remain near the blades; the droplet size is inversely proportional to the pump rotation and the main liquid flow rate; the velocity of the droplet depends on its position in the channel and the flow conditions; the same happens with the acceleration, consequence of drag and pressure forces, added to centrifugal effects, responsible for governing the movement of the particles. Under the flow conditions tested, velocities in the order of units of meters per second were found, as well as accelerations that reach hundreds of meters per squared second and forces around thousandths of Newton Mestrado Térmica e Fluídos Mestre em Engenharia Mecânica Funcamp 4775.2 - 01.P.1978/2013

Orientador: Rosângela Barros Zanoni Lopes Moreno Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica e Instituto de Geociências Resumo: A alta demanda de energia associada à depleção de reservatórios leve são fatores que cada vez mais têm contribuído para o desenvolvimento e aprimoramento de métodos que visem a produção de óleo pesado. Neste contexto, a injeção de polímeros tem apresentado bons resultados quando comparado a métodos tradicionais, tal como a injeção de água. Uma das principais técnicas de injeção de polímeros é o processo conhecido como gradação viscosa. Esta metodologia caracteriza-se pela injeção de bancos de solução polimérica com viscosidade gradativamente menores. Assim, além de reduzir a quantidade de polímero injetado, evita-se que haja uma transição abrupta de viscosidade entre um banco polimérico altamente concentrado e a água de perseguição. Apesar da injeção de bancos de gradação viscosa com soluções poliméricas ser um processo amplamente utilizado (ou planejado) no campo, a utilização desta técnica ainda é ponto de discussão entre os autores. Diante disso, o presente trabalho tem como objetivo avaliar o processo de gradação viscosa na injeção de polímeros para a recuperação de óleo pesado em escala experimental. Para tal, as configurações propostas para o processo de gradação viscosa foram comparadas com a injeção contínua de polímeros e a injeção convencional de água. Além disso, este trabalho propõe uma modificação do modelo de Claridge (1978) para a determinação do tamanho dos bancos poliméricos que compõe o processo de gradação viscosa. O estudo experimental envolveu três conjuntos de testes de deslocamento a 40°C, utilizando arenitos altamente permeáveis provindos da formação Botucatu. Para o desenvolvimento dos testes, foram utilizados os seguintes fluidos: mistura óleo querosene ¿ 240.6 cP; salmoura ¿ 0.68 cP; soluções poliméricas de Floopam 5115SH ¿ 23,5, 12.6 e 6.9 cP em 7.81 s-1. O protocolo de testes incluiu as seguintes etapas: 1° Embebição; 1° Drenagem; 2° Embebição ¿ representado a recuperação pela injeção de água; 2° Drenagem; Injeção de Polímeros ¿ representado o método de recuperação avançada. A distinção entre os testes dá-se na etapa de injeção de polímeros, onde no teste 1 uma solução polimérica foi injetada continuamente e nos testes 2 e 3 avaliaram-se duas configurações diferentes do processo de gradação viscosa. A partir dos resultados obtidos pode-se constatar que para todos os casos analisados, a injeção de polímeros foi mais eficiente que a injeção convencional de água, uma vez que se observou a antecipação da produção de óleo, uma redução da razão água-óleo acumulada e incrementos de recuperação de óleo de até 18%. O processo de gradação viscosa mostrou-se mais vantajoso do que a injeção contínua pois notou-se uma melhora na razão entre o incremento de recuperação óleo e a massa de polímero injetada. Além disso, a água injetada pós bancos poliméricos apresentou um desempenho semelhante à solução polimérica utilizada ao longo do teste de injeção contínua a partir do primeiro volume poroso injetado. Desta forma, o processo de gradação viscosa pode agregar resultados significativos do ponto de vista econômico à injeção de polímeros Abstract: The high demand for energy and the depletion of conventional oil reservoirs are factors that have been continuously collaborating to the development and improvement of recovery methods to produce heavy oil. In this context, polymer flooding has been presenting significant results when compared to traditional methods, such as water flooding. One of the main polymer injection techniques is the process known as graded viscosity banks. This process is characterized by the injection of successive small banks of decreasing viscosity. Thus, besides to reduce injected polymer mass, graded viscosity banks process avoid an abrupt transition between a high concentrated polymer bank and drive water. Although graded polymer banks is widely applied (or planned) in field applications, the use of this technique is still a point of discussion among the authors. In light of this, this project aiming to analyze, in an experimental scale, the performance of graded polymer banks injection in heavy oil recovery. For this, the configurations proposed for graded viscosity banks were compared to the polymer continuous injection and water flooding. Also, this work proposes a modification for the model developed by Claridge (1978) to determine the size of graded viscosity polymer banks. The experimental study involved three sets of displacement tests at 40°C, using a high permeable (5000 mD) outcrop cylindrical samples, from Botacatu Formation. During the runs, the following fluids were used: oil-kerosene mixture ¿ 240.6 cP; brine ¿ 0.68 cP; Floopam 5115 SH (polymer) solutions of 24.3, 12.6 and 6.9 cP at 7.81 s-1. The test protocol was performed as follows: 1° Water Injection; 1° Oil Injection; 2° Water Injection ¿ representing the oil recovery by waterflooding; 2° Oil Injection; Polymer Injection ¿ representing the enhanced oil recovery method. From the obtained results, we can highlight that polymer injection was more efficient than waterflooding, since oil production anticipation, a reduction of the cumulative water-oil ratio and oil recovery increment up to 18% were observed for all the analyzed cases. Graded polymer bank process proved to be more advantageous than polymer continuous injection because an improvement in the oil recovery increment and the injected polymer mass ratio was noted. Also, the drive water presented a performance similar to the polymer solution used during the continuous injection test after the first injected pore volume. In this way, graded viscosity banks can provide significant results from the economic point of view to the polymer injection Mestrado Reservatórios e Gestão Mestre em Ciências e Engenharia de Petróleo CAPES 33003017

Orientador: Antonio Claudio de França Correa Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica Resumo: Este trabalho tem como objetivo apresentar um simulador numérico composicional, unidimensional e isotérmico, no qual um escoamento bifásico (óleo e gás) e multicomponente é tratado implicitamente para pressão, saturação e composição dos fluidos. Considera-se também a ação gravitacional nos termos de fluxo, o que permite a análise de escoamento com inclinação. As equações envolvidas apresentam fortes não linearidades, requisitando uma solução numérica do sistema pelo método de Newton-Raphson. O tratamento unidimensional dado ao problema resulta na obtenção de uma matriz Jacobiana tridiagonal em blocos. É considerado um fluxo bifásico por convecção, no qual os efeitos de dispersão são desprezíveis. Não se considera a existência de água móvel no meio poroso e a curva de pressão capilar gás-óleo original, obtida em laboratório, é atualizada em função das variações de tensão interfacial dos fluidos. Supõe-se um equilíbrio termodinâmico instantâneo, cujo cálculo é feito com o auxílio da equação de estado de Peng e Robinson. O cálculo das densidades e pesos específicos das fases é feito usando-se a própria equação de estado. As viscosidades do óleo e do gás são obtidas pela correlação de Lohrenz. Considera-se ainda o meio poroso incompressível, homogêneo e isotrópico, mecânica e quimicamente inerte aos fluidos Abstract: This work aims to present an isothermal, one-dimensional, compositional numerical simulator. A two-phase (oil and gas) multicomponent flow is treated implicitly in pressure, saturation and compositions. Flow terms consider gravitational effect, which allows the study of flow in inclined reservo ir. The highly non-linear equations, which are necessary to equate the problem, require a numerical solution, which is obtained by the Newton-Raphson method. The one-dimensional treatment given to the problem yields a tridiagonal block Jacobian matrix. It is assumed that the two-phase flow is dominated by convection and that the dispersive effects are neglected. No mobile water is considered in the porous media, and the original gas-oil capillary pressure curve, obtained from the laboratory, is modified to include the variations of interfacial tensions. Instantaneous thermodynamic equilibrium is admitted and it is computed by means of the Peng and Robinson equation of state. The fluids densities are calculated with the equation of state. Gas and oil viscosities are computed using the Lohrenz method. The medium is considered incompressible, homogeneous and isotropic, chemically and physically inert to the fluids Mestrado Mestre em Engenharia de Petróleo

Orientador: Leonardo Goldstein Junior Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica Resumo: Nesta dissertação de mestrado,é estudado o efeito da concentração de sólidos na perda de pressão e no rendimento de coleta de ciclones. Para tanto, utiliza-se um dispositivo experimental constituído basicamente por um ciclone de 0,154 m de diâmetro, por um sistema de armazenamento e alimentação de partículas sólidas com ejetor, por um coletor de partículas coletadas pelo ciclone, por um filtro de mangas, e por dispositivos de medida de pressão, temperatura e vazão. São utilizadas partículas de FCC, um catalisador do processo de craqueamento do petróleo, e velocidades de entrada do gás entre 5 e 28 m/s. A concentração de sólidos atinge 20 kg de FCC/ kg de ar, valor bastante superior aos descritos pela literatura disponível. Considera-se também o efeito de uma válvula flap instalada na perna do ciclone. Os resultados mostram que a perda de pressão do escoamento com partículas é cerca de 47 por cento da perda de pressão do escoamento apenas de ar, na faixa de concentração estudada. Existe a tendência de aumento do rendimento de coleta com aumento da concentração de sólidos, até concentrações em tomo de 12 kg de FCC/ kg de ar. Acima dessa concentração o rendimento passa a diminuir. Nas condições. avaliadas, o rendimento de coleta foi maior na velocidade de 18 m/s do que na velocidade de 27 m/s. Os resultados indicam que deve existir um contrapeso ideal na válvula flap para otimizar o rendimento de coleta, em cada condição de concentração. Os métodos de previsão atualmente disponíveis não foram desenvolvidos para abranger as altas concentrações utilizadas neste trabalho, e não se mostraram adequados para estimar o rendimento de coleta Abstract: In this thesis, the effect of solids loading on the cyclone pressure drop and overall collection efficiency was studied. The experimental setup was rnade up of a 0.154 m diameter cyclone, a solids storage and feeding system with an injector, a cyclone hopper, a bag filter, and pressure, temperature and flow measuring instruments. The solid particles used were FCC particles. Solids loading up to 20 kg DfFCC/ kg of air were used, with air inlet velocities between 5 and 28 m/s. The effect of a flap valve in the cyclone leg was also considered. The results showed that the cyclone pressure drop of the solids laden air flow was 47 per cent of the clean air flow, in the range of concentrations employed. There was a trend of increasing collection efficiency with increasing solids loading up to 12 kg of FCC/ kg of air. Above this loading, the collection efficiency decreased. At the conditions evaluated, the collection efficiency was higher at an inlet velocity of 18 m/s than it was at 27 m/s. The results indicated that it should exist an ideal flap valve counterweight that maximizes the collection efficiency in each loading condition. The available methods for estimating collection efficiency were not originally developed to cover the high solids loading used in the prestmt work, and were not able to predict the results in the range covered here Mestrado Térmica e Fluídos Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Sergio Nascimento Bordalo Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica Resumo: O escoamento vertical bifásico é de suma importância na produção de petróleo, uma vez que os reservatórios petrolíferos produzem óleo e gás simultaneamente, e estes devem fluir até a superfície submarina através de poços, e destes até a plataforma de produção através de dutos verticais (risers) no mar. Ao longo de seu escoamento, a mistura pode desenvolver vários padrões de fluxo. Os padrões identificados no escoamento vertical são bolhas, golfadas, transição e anular, e essas configurações físicas apresentam características próprias que exigem modelagens distintas, apresentando relações particulares de perda de carga em função da vazão. A caracterização correta do padrão, sob dadas condições operacionais, é fundamental para modelar a dinâmica do escoamento e determinar a relação entre perda de carga e vazão. Na literatura, estudos sobre o estabelecimento dos padrões de fluxo foram realizados com água e ar, e estão restritos ao caso de dutos estáticos, enquanto que os risers de produção estão em constante movimento devido à ação das ondas, das correntezas e da plataforma de produção. Sendo assim, a aplicação destes mapas nas condições de produção em águas profundas são questionáveis. O presente trabalho é importante para a produção de óleo e gás em águas profundas, porque aborda as condições de movimento de dutos verticais longos e esbeltos sob oscilações. Nestes dutos, as forças decorrentes do movimento do mar e da plataforma de produção geram sobre o duto um movimento transversal alternado. Para se estudar esse efeito, um aparato experimental foi construído em escala de laboratório, com um duto flexível de 8,0 m de comprimento e 25,4 mm de diâmetro, provido de um sistema de oscilação e de injeção de água e ar para se estudar os padrões de fluxo vertical ascendente bifásico em dutos em movimento. Abstract: The two-phase vertical flow is of utmost importance for petroleum production, since petroleum reservoirs produce oil and gas simultaneously, which must flow up to the undersea surface through wells, and from these to the production platform through vertical pipes (risers) in the sea. Throughout the flow, the mixture of oil and gas may develop several flow patterns. The flow patterns identified in the vertical flow are bubbles, slugs, churn and annular, and these physical configurations present specific characteristics that demand distinct modeling and, presenting particular relations of head loss as function of the flow rate. The correct characterization of the flow patterns, under given operational conditions, is fundamental to the modeling of the dynamics of the flow and to determine the relation between head loss and flow rate. In the literature, studies on the establishment of the flow patterns had been carried with water and air, and were restricted to the case of static pipes, while production risers are in constant movement due to the action of waves, sea currents and the displacement of the production platform. Therefore, the application of these static maps for the conditions of production in deep waters is questionable. The present work is important for the production of oil and gas in deep waters, because it takes into account the oscillatory movement of long and slender vertical pipelines. In these pipes, the forces resulting from of the movements of the sea and the production platform generate an alternated transversal movement on the pipeline. An experimental apparatus built in the laboratory scale to study this effect, with a flexible duct of 8,0 m of length and 25,4 mm of diameter, attached to a system of oscillation and connected to an injection nozzle of water and air to study the patterns of two-phase vertical upward flow in moving pipes. Mestrado Explotação Mestre em Ciências e Engenharia de Petróleo

Orientadores: Roger Josef Zemp, Paulo de Carvalho Tofani Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: A limitação do escoamento em contracorrente, ou inundação, fenômeno caracterizado pelo controle que um gás exerce no escoamento de um líquido em sentido contrário, desempenha papel importante em diversos equipamentos das engenharias química e mecânica (condensador de refluxo, colunas recheio, tubos de calor etc.). Mais recentemente, o fenômeno tem recebido atenção especial da área nuclear devido à sua influência no comportamento termo fluido dinâmico de um reator nuclear durante um acidente de perda de refrigerante. A maioria dos estudos experimentais e analíticos sobre a inundação foi executada em tubos verticais. Menor atenção por parte dos pesquisadores tem recebido as geometrias mais complexas como as constituídas por canais de escoamento anulares, com placas perfuradas e, especialmente, aqueles constituídos de tubos horizontal e inclinado conectados por uma curva, como a "perna quente" dos reatores nucleares refrigerados a água pressurizada (Pressurized Water Reactor - PWR). Para melhor subsidiar as análises deste fenômeno, foi conduzido no CDTN/CNEN uma série de experimentos em seções de teste em acrílico com a mesma forma geométrica da "perna quente" de um PWR. Nestes experimentos, o escoamento em contracorrente foi estabelecido com injeção de água pela extremidade superior da tubulação inclinada e de ar através da outra extremidade da seção. Com incursão gradual ascendente na velocidade do ar para níveis de injeção de água preestabelecidos, foram determinadas as velocidades de início de arraste da água pelo ar, de início de arraste total e, durante a redução gradativa da velocidade do ar, as velocidades dos fluidos relativas à fase de inundação, quando a penetração da água é controlada pelo escoamento do ar. Com o objetivo de se avaliar as influências das características geométricas do canal de escoamento, foram realizados experimentos com diferentes comprimentos horizontais e inclinados, inclinações do duto inclinado, alturas hidrostáticas acima da extremidade superior e diâmetros da seção de testes. Os resultados experimentais mostraram uma dependência do inicio do arraste com a taxa de injeção água e com as características geométricas da seção de testes. Para uma geometria defmida, na condição de inundação, os pontos experimentais seguem uma curva característica até o início do arraste total assim como, na redução da vazão de ar, até o retomo à precipitação total, que independente da taxa de água injetada. Variações (:t 20°) em tomo de 50° na inclinação pouco afetam o comportamento da curva de inundação. Foi constatado ainda que, para uma mesma velocidade de ar, o aumento do comprimento horizontal ou do inclinado da seção provoca o aumento do arraste de água. O levantamento das influências dos parâmetros geométricos da seção de testes no comportamento da inundação gerou uma nova correlação para o fenômeno Abstract: The Countercurrent Flow Limitation (CCFL), or flooding, is characterized by the restraint imposed by a gas on a countercurrent liquid flow. The phenomenon plays important role in several equipment in the chemical and mechanical engineerings (reflux condensator, packed columns, heat pipes). More recently the phenomenon has received special attention by the nuclear area due to its influence in the thermal-hydraulic behavior of a nuclear reactor during a postulated loss of coolant accident. Most of the experimental and analytical studies about the flooding was performed in vertical ducts. The more complex geometries, such as annular channels, or channels with perforated plates and, especially, those which are constituted by a horizontal pipe connected to an inclined riser, as the hot leg of the Pressurized Water Reactors - PWR, have received little attention by the researchers. To subsidize the analyses of this phenomenon, experiments in test sections with the same geometric form of the hot leg of a PWR were carried in CDTN/CNEN. In these experiments, the countercurrent flow was established with water injection in the upper extremity of the inclined pipe associated to air injection through the other extremity of the test section. With ascending and gradual air flow rate, for specific water flow rates, the air velocities at the onset of flooding and at the onset of total water carryover were measured. During an air flow rate reduction phase, the relative fluids velocities in the flooding phase, when the water penetration is controlled by the air in countercurrent, were also determined. In order to evaluate the influence of the geometric characteristics of the test section, experiments with different horizontal and inclined lengths, inclinations of the inclined riser, water head above the upper extremity and diameters of the test section, were also performed. The experimental results showed that the onset of flooding is a complex function of water flow late injection and depends on the geometry of the test section. For a specific geometry, in the flooding condition, the experimental points follow a characteristic curve ITom the onset of the total carryover until the total water precipitation. These flooding curve was found to be independent of the injected water flow rate. The imposed variations (:t 20) around 50° in inclination of the inclined riser produced negligible effects in the flooding curve. It was also verified that, for a same air velocity, a longer horizontal or inclined length induces an increase in the carryover water. This study proposes a new flooding correlation considering the influence of the geometrical parameters Doutorado Sistemas de Processos Químicos e Informática Doutor em Engenharia Química

Orientadores: Silvia Azucena Nebra, Maria Aparecida Silva Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica Doutorado

Orientador: Leonardo Goldstein Junior Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica Doutorado

Orientador: Elias Basile Tambourgi Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: o sistema de duas fases aquosas explora a capacidade de dois polímeros, ou de um polímero e um sal, se separarem em duas fases aquosas sempre que certas concentrações mínimas sejam excedidas. Neste trabalho, o objetivo é a determinação do índice de recuperação da bromelina do caldo do abacaxi, utilizando, para isso, uma microcoluna agitada por campânulas pulsantes, para três tamanhos de linhas de amarração, três pH' s diferentes e três vazões de alimentação. A caracterização desse sistema bifásico aquoso é formada por um polímero regional, o polissacarídeo do cajueiro (Policaju). Sendo o elevado custo dos polímeros envolvidos o principal entrave à aplicação em grande escala da partição bifásica aquosa, este sistema apresentou a possibilidade em reduzir esse custo, aumentando a competitividade da partição bifásica aquosa como processo alternativo frente aos processos tradicionais de recuperação de bioprodutos. Os resultados demonstraram um aumento do índice de recuperação com o aumento da velocidade de rotação e com o aumento da composição do sistema. A análise do perfil de extração contínua da bromelina do caldo do abacaxi demonstrou que o maior índice recuperação da proteína foi obtido para as seguintes condições: sistema 13%PEG4000-22%Policaju em uma microcoluna pulsada com 3 campânulas à velocidade de 60 rpm com velocidade total de alimentação 11,12mL/min e pH 8,0 que foi de 68,82% Abstract: Aqueous two-phase system explores the possibility of solutions of two polymers or one polymer and one salt separating into two immiscible aqueous phases, when certain critical concentrations are exceeded. This work was characterised by the KA W ASE recovery index analysis of the bromelain of pineapple juice, using a pulsed column for three sizes of tie lines, three different pH's and three feeding flows. The characterisation of a new aqueous two-phase system is based on a regional polymer, the polysaccharide of cashew nut tree (Policaju). Since the cost of the phase forming polymers is the main drawback on the large scale application of aqueous two-phase partition, this system showed the possibility of decreasing this cost by increasing the applicability of biphasic partition as an alternative technique to the traditional recovery processes of bio products. The results showed an increase of the recovery index with an increase of the rotation speed and with an increase of the system composition. The profile analysis of continuous extraction of the bromelain of pineapple juice demonstrated that the largest protein recovery was obtained for the following conditions: 13%PEG4000-22% Cashew nut tree system in pulsed column with 3 rotative disks at the speed of 60 rpm with total of feeding speed of 11,12 mL/min, and pH 8,0 which was 68,82% Doutorado Sistemas de Processos Químicos e Informática Doutor em Engenharia Química

Orientador: Ricardo Augusto Mazza Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: O interesse nos estudos do escoamento bifásico líquido-líquido aumentou recentemente, principalmente devido as aplicações na indústria petroquímica, onde esse tipo de escoamento ocorre comumente no transporte de óleo e água. Neste trabalho foi analisado o escoamento bifásico de água e querosene em laboratório, visando a obtenção de novos dados experimentais além de um melhor entendimento do escoamento líquido-líquido. O aparato possui três seções de testes: uma vertical, uma horizontal e uma transição vertical horizontal (curva). A linha de teste é construída inteiramente de acrílico e possui diâmetro de 0,026 m. Foram determinados os padrões de escoamento da linha vertical e horizontal utilizando técnicas de visualização e da sonda de impedância local. Os mapas de padrões identificados foram comparados com os mapas da literatura. As frações de líquido foram determinadas por meio de duas técnicas de medições diferentes: a primeira utilizando a técnica gravimétrica, na qual os fluidos são aprisionados por válvulas de fechamento rápido e a segunda por intermédio de uma sonda de impedância local, utilizada para determinar o perfil de fração de líquido do escoamento. Os gradientes de pressão foram capturados por transdutores de pressão diferencial nas três seções e ainda uma análise da inversão de fase foi realizada. Os resultados das frações de líquido e dos gradientes de pressão foram comparados com modelos unidimensionais. Um estudo qualitativo do escoamento na curva, por meio de visualização, foi realizado para analisar como esse escoamento pode interferir no escoamento vertical e horizontal. Por fim, analisou-se um tipo de escoamento transiente na linha vertical, utilizando visualização e uma sonda de impedância de haste Abstract: The study of the liquid-liquid two-phase flow has increased recently, mainly due to the interest of the petrochemical industry, where this type of flow commonly occurs in the transport of oil and water. In this work is analyzed the two-phase flow of water and kerosene, in order to obtain new experimental data and a better understanding of liquid-liquid flow. The apparatus has three test sections, one vertical, one horizontal and one transition of vertical to horizontal (curve). The test section is constructed entirely of acrylic and has a diameter of 0.026 m. The flow patterns were determined for the vertical and horizontal line using images and the local impedance probe. The flow patterns maps were compared with maps of literature. The holdup was determined with two different measurement techniques. The first was using the gravimetric technique, where fluids are trapped by closing valves. The second is by a local impedance probe used to determine the holdup profile. Pressure gradients were captured by differential pressure transducers for the three sections, and an analysis of the phase inversion was performed. The results of pressure gradients were compared with one-dimensional models. A qualitative study of flow on the curve, through visualization, was conducted to analyze how this flow may interfere with the vertical and horizontal flow. Finally, a type of transient flow in a vertical line was analyzed using visualization and a rod impedance probe Doutorado Térmica e Fluídos Doutor em Engenharia Mecânica Funcamp 4721 e 4357

Orientador: Sandra Cristina dos Santos Rocha Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: O transporte pneumático de partículas sólidas tem sido frequentemente utilizado em diversas indústrias. Na última década, houve um aumento da demanda a favor da utilização otimizada dessa tecnologia, o que requer bom entendimento da dinâmica do escoamento da mistura gás-sólido em tubos e capacidade para predizer tal comportamento. A maioria dos modelos matemáticos que descrevem os fenômenos que ocorrem no transporte pneumático vertical são unidimensionais em regime permanente. No entanto, evidências experimentais sugerem que a suposição de não variação radial das variáveis básicas podem não ser verdadeiras. No presente trabalho realizaram-se as modelagem e simulação do transporte pneumático vertical considerando os perfis axiais e radiais das variáveis de escoamento. Procedeu-se à comparação entre os resultados obtidos com a simulação utilizando os modelos unidimensional e bidimensional. Considerando ainda as transferências convectivas de calor e de massa, foram efetuados os balanços de energia e de massa, estendendo-se o modelo para um secador pneumático vertical. Foram obtidas as variações axiais e radiais, das temperaturas e umidades do gás e das partículas. Efetuou-se também uma análise paramétrica da simulação, no que concerne à secagem pneumática vertical, não só com relação às variáveis de processo, como também às variáveis geométricas envolvidas. A análise paramétrica foi realizada utilizando planejamento fatorial e foram obtidas as influências das variáveis estudadas na umidade da partícula a 2,Omda entrada do secador Abstract: Pneumatic conveying of solid partic1es has been frequently used in chemical industries. The increase in the use in this unit operation requires the knowledge of the dynamic of the gas-solid flow in tubes. The mathematical models of vertical pneumatic conveying found in the literature mostly consider the flow stcady and one dimensional. However, experimental evidence suggest that radial profiles of the basic variables of the flow exists. In this work a model is proposed for vertical pneumatic conveying considering axial and radial profiles for gas and solid velocities, porosity and pressure. The results obtained from this two-dimensional model were compared with the ones from the one dimensional model. The conservation equation for energy and mass of water were written to extend the model to a pneumatic dryer. The results show the axial and radial variations of gas and solid temperatures, gas humidity and particle moisture content along the dryer. A parametric analysis of the simulation was realized involving process and geometric variables using fatorial planning. The results of the parametric analysis show the influence of each variable in the moisture content of the particles at 2,Omat the entrance of the dryer Doutorado Engenharia de Processos Doutor em Engenharia Química

Orientadores: Ricardo Augusto Mazza, Luiz Eduardo Melo Lima Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Escoamentos bifásicos com gases densos são frequentemente encontrados na produção de hidrocarbonetos offshore em águas ultraprofundas e em reatores nucleares. A previsão numérica das variáveis de escoamento para sistemas como estes é importante visto que a realização de ensaios com gases densos requer instalações muitas vezes inviáveis em escala laboratorial, seja por dimensão ou pela demanda energética requerida pelo aparato experimental. Os principais objetivos desta tese foram o desenvolvimento de um código computacional e a análise dos resultados obtidos por uma modelagem unidimensional, em regime permanente, baseada no modelo de mistura, cuja relação de deslizamento independia da especificação do padrão, para escoamento ascendente em tubulações verticais de seção transversal circular constante. Foram propostos três sistemas envolvendo gases densos: mistura de SF6 e água, R410a saturado e mistura de CO2 e propano, sendo que para cada um destes foi sugerido um simulador. O primeiro simulador foi validado com informações coletadas na literatura para escoamento de ar e água nos padrões disperso, separado e intermitente; o segundo foi validado com dados numéricos e experimentais de escoamento de fluido refrigerante, cuja mudança de fase se ocorreu devido à descompressão adiabática. Neste caso, foi assumida a hipótese de equilíbrio termodinâmico entre as fases, tal como para o terceiro simulador, que foi capaz de predizer a queda de pressão no interior do envelope de fases líquido-vapor na presença ou ausência de gradiente térmico. Dentre as contribuições obtidas com a realização deste estudo destacaram-se: a verificação de padrões de comportamento do sistema, a predição da fração de vazio, queda de pressão e padrão de escoamento em sistemas com gás denso e sugestões para ampliação de estudo em situações mais próximas da realidade de um escoamento bifásico multicomponente Abstract: Two-phase flow with dense gases are found in the production of hydrocarbons in ultradeepwater and in nuclear reactors. The numerical prediction of flow variables for such systems is important once tests with dense gases require installations that are often not feasible on a laboratory scale, either by size or by the energy demand required by the experimental apparatus. The main objectives of this study were the development and analysis of the results obtained by a one-dimensional modeling, in steady state, based on mixture model, with flow pattern independent void fraction correlation, for upward flow in constant circular cross-section vertical pipes. Three systems involving dense gases were proposed: mixture of SF6 and water, saturated R410a and CO2 and propane mixture. For each one a simulator was suggested. The first simulator was validated with information collected in the literature for air-water dispersed, separate and intermittent flow. The second was validated with numerical and experimental data of refrigerant flow with adiabatic phase change. In this case, the hypothesis of thermodynamic equilibrium between the phases was assumed, as for the third simulator, which was able to predict the pressure drop inside the liquid-vapor phase diagram in the presence or absence of a thermal gradient. The contributions of this study were: system behavior verification, prediction of the void fraction, pressure drop and flow pattern in dense gas systems and suggestions for further study in situations close to the reality of a biphasic multicomponent flow Doutorado Térmica e Fluídos Doutora em Engenharia Mecânica PETROBRAS

Orientadores: Alberto Luiz Serpa, Ana Maria Frattini Fileti Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Na indústria petrolífera, o escoamento a jusante do poço é composto de uma grande variedade de hidrocarbonetos e componentes não desejados como água, dióxido de carbono, sais, enxofre e areia. A necessidade de um medidor de vazão multifásico surge quando é necessário ou desejável medir a vazão a montante dos separadores. A técnica ultrassônica preenche muito dos requisitos para medição multifásica, principalmente por ser não intrusiva, não radioativa, robusta e relativamente barata. Neste trabalho, é proposto um sistema de medição para escoamentos bifásicos líquido-gás baseado em sinais ultrassônicos. O sistema é composto de dois transdutores ultrassônicos, operando em modo pulso/eco, dois pulsadores e um sistema para aquisição e tratamento de dados. Os dados foram coletados em uma montagem experimental para escoamentos verticais líquido-gás construída na laboratório de estudos de petróleo LABPETRO-UNICAMP. Esta montagem possui uma linha vertical de 52,5mm de diâmetro e de aproximadamente 13m de comprimento. Nesta montagem foi realizado um total de 816 medições experimentais, sendo 408 para escoamentos água-ar e 408 para escoamentos óleo-ar. A montagem foi instrumentada com medidores de pressão, temperatura e vazão para avaliar os resultados com modelos mecanicistas. Além disso, o escoamento foi filmado com uma câmera de filmagem rápida e medidas independentes da fração de vazio de gás foram realizadas com um sistema de fechamento rápido. O sistema proposto foi capaz de distinguir os padrões de escoamento pistonado, bolhas dispersas e agitante para escoamentos água-ar e óleo-ar. Ademais, para o padrão bolhas dispersas, foi possível estimar a velocidade das bolhas dispersas, a fração de vazio do escoamento e as vazões de líquido e gás. Para o padrão pistonado foi possível estimar as velocidades das bolhas alongadas e das bolhas dispersas no pistão de líquido, os comprimentos das bolhas alongadas e dos pistões de líquido, as frações de vazio das bolhas alongadas, dos pistões de líquido e das células unitárias e as vazões de líquido e gás. Os resultados encontrados estão coerentes com referências da literatura, com os resultados obtidos através da análise de imagens, do sistema de fechamento rápido e com as medições de vazões. A técnica proposta se apresenta como uma promissora ferramenta para o monitoramento e controle de linhas de escoamentos bifásicos líquido-gás Abstract: In the oil industry, downstream well flow is composed of a wide variety of hydrocarbons and unwanted components such as water, carbon dioxide, salts, sulfur, and sand. The need for a multiphase flowmeter arises when it is necessary or desirable to measure the flow upstream of the separators. The ultrasonic technique meets many of the requirements for multiphase measurement, mainly because it is non-intrusive, non-radioactive, robust and relatively cheap. In this work, a measurement system for two-phase liquid-gas flows based on ultrasonic signals is proposed. The system consists of two ultrasonic transducers operating in pulse/echo mode, two pulsers and a system for data acquisition and processing. Data were collected in an experimental setup for vertical liquid-gas flows constructed at the petroleum study laboratory LABPETRO-UNICAMP. This assembly has a vertical line of 52.5mm in diameter and approximately 13m in length. In this assembly a total of 816 experimental measurements were made, 408 for water-air flows and 408 for oil-air flows. The assembly was instrumented with pressure, temperature and flow meters to evaluate the results with mechanistic models. Also, the flow was filmed with a high-speed camera and independent measurements of the gas void fraction were performed with a quick-close system. The proposed system was able to distinguish the slug, dispersed bubbles and churn flow patterns for water-air and oil-air flows. Besides, for the dispersed bubbles, it was possible to estimate the velocity of the dispersed bubbles, the gas void fraction of the flow, and the gas and liquid volumetric flow rate. For the slug, it was possible to estimate the velocities of the elongated bubbles and the dispersed bubbles in the liquid slug, the lengths of the elongated bubbles and the liquid slugs, the void fractions of the elongated bubbles, the liquid slugs and the unit cells, and the gas and liquid volumetric flow rate. The results are consistent with literature references, as well as with the results from image analysis, the quick-closing system, and the measurements of the volumetric flow rate. The proposed technique presents itself as a promising tool for the monitoring and control of two-phase liquid-gas flow lines Doutorado Térmica e Fluídos Doutor em Engenharia Mecânica FAPESP 2014/00363-9

Orientador: Eugênio Spanó Rosa Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: A fração de vazio é um parâmetro essencial para a descrição da estrutura do escoamento intermitente gás-líquido. Na produção de petróleo, por exemplo, em sistemas de elevação artificial, a técnica de gas-lift é muito utilizada em poços verticais para aumentar a produção e requer a previsão dos fenômenos que influenciam o escoamento intermitente para sua otimização. Estes efeitos incluem principalmente as distribuições radial e axial da fração de vazio. Neste trabalho medidas da fração de vazio no pistão de líquido e na bolha alongada em escoamento bifásico vertical ascendente de ar-água no padrão intermitente em golfadas foram realizadas em diversas razões de vazões de gás e líquido utilizando uma sonda elétrica e um sensor de impedância de anéis. Com um conjunto formado por dois sensores de impedância de anéis gêmeos espaçados entre si foi monitorada a passagem dos pistões de líquido e das bolhas alongadas e foram determinados os comprimentos dos pistões e das bolhas assim como a velocidade de translação do nariz da bolha alongada em uma tubulação de 26 mm de diâmetro. As técnicas de medidas foram validadas resolvendo as equações resultantes do balanço volumétrico na célula unitária com os valores das frações de vazio do pistão de líquido, da bolha alongada e da unidade e das velocidades, comprimentos e frequências obtidos experimentalmente. Esta validação tem por objetivo mostrar a consistência que as medidas experimentais apresentam com o modelo físico conferindo às medidas um alto grau de confiabilidade. Os resultados das frações de vazio do pistão de líquido, da bolha alongada e da unidade pistão-bolha foram comparados com correlações disponíveis na literatura assim como os resultados das frações de líquido do pistão de líquido foram comparados e analisados com os modelos fenomenológicos de fração de líquido disponíveis. Com os testes utilizando a sonda elétrica foi possível levantar além da distribuição axial a distribuição radial da fração de vazio local na seção transversal da tubulação. Os resultados obtidos demonstram a consistência das técnicas de medidas e permitem discutir vários fenômenos que influenciam o escoamento bifásico vertical ascendente de ar-água no padrão intermitente em golfadas Abstract: The void fraction is an essential parameter for describing the structure of the gas-liquid slug flow. In oil production, for example, in artificial lift systems, the gas-lift technique is widely used in vertical wells to increase the production and requires the prediction of the phenomena which influence the slug flow optimization. These effects primarily include axial and radial distributions of void fraction. In this work measures the void fraction of the liquid piston and the elongated bubble in two-phase flow vertical upward air-water in slug flow pattern were performed at various ratios of gas and liquid flow rates using an electric probe and a rings impedance sensor. With a set of two twin rings impedance sensors spaced was monitored passage of liquid slugs and elongated bubbles and were determined and the lengths of the pistons and bubbles as well as the translation velocity of the nose elongated bubble in a pipe 26 mm id. The measurement techniques were validated by solving the equations resulting from the volume balance in unit cell with the values of the void fractions of the piston liquid, the bubble elongated and the unit and velocities, lengths and frequencies obtained experimentally. This validation is to show the consistency with the experimental measurements show the physical model measures conferring a high degree of reliability. The results of the void fractions of the liquid piston, the elongated bubble and bubble-piston unit were compared with correlations available in the literature and the results of the liquid fractions of liquid piston were compared and analyzed with phenomenological models of liquid fraction available. With the tests using the electric probe was possible to rise beyond of the axial distribution the radial distribution of local void fraction in the cross section of the pipe. The results demonstrate the consistency of measurement techniques and allow discuss various phenomena that influence the two-phase flow in vertical upward air-water slug flow pattern Doutorado Térmica e Fluídos Doutor em Engenharia Mecânica

Orientador : Marcio Luiz de Souza-Santos Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica Doutorado

Orientadores: Milton Mori, Henry França Meier Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: Este trabalho se propôs a estudar o escoamento do gás em ciclones em duas frentes: por intermédio do mapeamento do campo de velocidades em um ciclone instalado em uma planta semi-piloto de uma unidade da PETROBRAS-SIX e por meio do desenvolvimento de um modelo tluidodinâmico computacional (CFD) tridimensional, amparado pelos resultados experimentais obtidos nesse trabalho e de resultados disponíveis na literatura. Os ciclones têm sido empregados na indústria de processos como separadores de partículas desde o início do século passado, sendo que inúmeros trabalhos de investigação científica visando a obtenção de técnicas que predissessem a queda de pressão e a curva de eficiência de separação são encontrados na literatura. Contudo, somente modernas técnicas, como as da fluido dinâmica computacional (CFD), têm se mostrado capazes de predizer a contento os complexos fenômenos que ocorrem no interior ciclônico. Desta forma, utilizou-se o código de CFD comercial CFX - versões 4.3 e 4.4, da ABA Technology, o qual utiliza o método dos volumes finitos com variáveis co-localizadas resolvendo o sistema em coordenadas generalizadas para a obtenção das soluções das equações de transporte. As malhas numéricas foram construídas por intermédio da técnica dos multi-blocos, utilizando o pré processador "BUILD" presente no código. Os principais resultados mostraram que a metodologia empregada se mostrou adequada e apta a reproduzir o comportamento tluidodinâmico do escoamento do gás (monofásico) e do gás com a presença de particulados (bifásico, em uma abordagem Euleriana-Euleriana), em ciclones tanto em escala de laboratório quanto em escala industrial Abstract: The aim of this work was to analyze the gas flow in cyclones experimentally and numerically. The experimental study was conducted in an acrylic cyclone settled in a pilot unity belonging to SIX/PETROBRAS in São Mateus do Sul, PR. Numerical solutions were obtained by the development of a 3-D computational fluid dynamics (CFD) model, sustained by the experimental resuIts obtained in this work and results from the literature. Cyclones have been used as solid particle separators in large-scale chemical processes since the beginning of the past century. Several studies of scientific investigation in order to obtain prediction techniques of pressure drop and collection efficiency are found in the literature. However, the design of new cyclones and the analysis of the actual equipment can be best achieved using computational fluid dynamics (CFD) techniques in order to obtain higher collection efficiency and a lower pressure drop. The 3-D simulations of the turbulent gas flow in the cyclone was carried out using the computational fluid-dynamics code CFX, versions 4.3 and 4.4, by AEA Technology. The numerical solutions were obtained with a finite-volume method and body fitted grid generation, using the pre-processor BUILD to generate the grids with multi-block techniques. The methodology showed great capability to represent the swirling flow in small cyclones as in industrial cyclones Doutorado Desenvolvimento de Processos Químicos Doutor em Engenharia Química

Orientador: Eugênio Spanó Rosa Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Escoamentos gás-líquido são frequentemente encontrados na natureza, bem como em diversas aplicações industriais. Na área de produção de petróleo, por exemplo, em sistemas de elevação natural ou artificial (gas-lift contínuo ou intermitente), gás e óleo escoam simultaneamente em tubulações. A previsão de escoamentos gás-líquido torna-se necessária à viabilidade técnica-econômica de muitos processos industriais, por exemplo, na indústria de petróleo devido ao aumento do consumo mundial de combustíveis e a descoberta de novos campos petrolíferos. Em escoamentos gáslíquido, as fases se distribuem espacialmente e temporalmente ao longo da tubulação dependendo das vazões, propriedades físicas das fases e das características da tubulação, entre outros parâmetros. A combinação destes fatores gera diversos padrões de escoamento gás-líquido que podem ser agrupados em três classes principais: disperso, separado e intermitente. Os principais objetivos deste trabalho são o desenvolvimento e a análise de uma modelagem unidimensional em regime permanente, baseada no modelo de mistura, que permita a simulação de escoamentos isotérmicos gás-líquido em tubulações com seção transversal circular constante, considerando a fenomenologia envolvida nestes escoamentos. Dentre as contribuições obtidas com a realização deste trabalho destacam-se: a identificação das vantagens e limitações do modelo; as análises de suas formulações, dos parâmetros de fechamento e de sensibilidade às variáveis relacionadas aos padrões; a proposição de um método de solução para um modelo fenomenológico de força de atrito na parede, aplicável aos diversos padrões de escoamento gás-líquido. Os resultados do modelo de mistura foram comparados contra dados experimentais do gradiente de pressão de escoamento nos padrões disperso, separado e intermitente, em diversas inclinações de tubo. Além disto, foram realizadas análises envolvendo transição de padrão de escoamento num tubo vertical. Os resultados obtidos demonstraram que o modelo de mistura captura de forma satisfatória o gradiente de pressão para os diversos padrões de escoamento gás-líquido, num único algoritmo de integração Abstract: Gas-liquid flows are often found in nature as well as in various industrial applications. In the oil production, for example, in natural or artificial lift systems (continuous or intermittent gas-lift), gas and oil flow simultaneously in pipes. The prediction of gas-liquid behavior becomes necessary for technical and economic viability of many industrial processes, for example, the oil industry due to the increase of world oil consumption and the discovery of new oilfields. In gas-liquid flow, the phases are distributed spatially and temporally along the pipe depending on the flow rate, phase's physical properties and pipe characteristics, among other parameters. The combination of these factors creates different gas-liquid flow patterns that can be grouped into three main classes: dispersed, separated and intermittent. The main objectives of this work are the development and analysis of a steady one-dimensional modeling, based on the mixture model, which allows the simulation of isothermal gas-liquid flow in pipes with constant circular cross section, considering the phenomenology involved in these flows. Among the contributions obtained in this work stand out: to identify the advantages and limitations of the model; the analysis of their formulations, closing parameters and sensibility to variables related to the patterns; to propose a solution method for a phenomenological model of the wall friction force, applied to the different gas-liquid flow patterns. The mixture model results were compared against pressure gradient experimental data from flow in the dispersed, separated and intermittent patterns, in different pipe inclinations. In addition, it was performed an analysis of the flow pattern transition in a vertical pipe. The results showed that the mixture model captures satisfactorily the pressure gradient for different gas-liquid flow patterns, in a single integration algorithm Doutorado Térmica e Fluídos Doutor em Engenharia Mecânica

Orientador: Osvair Vidal Trevisan Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica e Instituto de Geociencias Resumo: Este trabalho disserta sobre a análise de teste transitório de produção e de crescimento de pressão em poço vertical sob condição de escoamento bifásico de óleo e gás. Os resultados obtidos são o fator de película e pontos das curvas das permeabilidades efetivas ao óleo e ao gás em função da saturação de óleo. A permeabilidade efetiva em função da saturação do óleo é obtida da combinação da permeabilidade efetiva em função da pressão de teste de poço com a solução de uma equação diferencial ordinária que relaciona a saturação do óleo com a pressão. Um dos métodos, denominado método p2, é desenvolvido a partir da representação da curva da função de pseudopressão, kro/(µoBo) versus a pressão de teste, por meio de duas linhas retas. O problema físico analisado consiste de um reservatório homogêneo operando a partir da pressão de bolha, água conata imóvel e efeitos de capilaridade e de gravidade desprezíveis. Os dados para validação dos métodos são obtidos com testes de poços realizados em modelos de reservatórios preparados num simulador comercial. O método p2 utiliza basicamente pontos e inclinações de retas de curvas típicas, construídas com dados de teste de poço, para determinar o fator de película e as curvas das permeabilidades efetivas aos fluidos. As curvas obtidas pelo método p2 são comparadas com as obtidas por outro método, chamado de método de determinação in situ Abstract: This thesis provides an analysis of drawdown and buildup tests from vertical well under solution gas-drive conditions. The results obtained include the skin factor and the points of the effective permeability curves for the oil and gas as a function of oil saturation. The effective permeability as a function of oil saturation is the result of a combination of the effective permeability as a function of wellbore pressure and the solution of an ordinary differential equation which relates oil saturation to the pressure. One of the methods, named square-pressure method, is developed using two straight lines to approximate the curve of the pseudo-pressure function, kro/(µoBo) versus the wellbore pressure. The physical problem consists of a homogeneous reservoir operating from bubble-point pressure with immobile connate water, neglecting the capillarity and gravity effects. The data for the validation of the methods was obtained using well tests reservoirs models built in a commercial simulator. The p2 method basically utilizes the points and the straight lines slope of typical curves built from well test data to determinate the effective permeability curves and the skin factor. Then, the results of these curves are compared to those obtained with another method, named in situ determination method Mestrado Reservatórios e Gestão Mestre em Ciências e Engenharia de Petróleo

Orientador: Antonio Carlos Bannwart Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica e Instituto de Geociências Resumo: A BCS ¿ bomba centrífuga submersa ¿ é um equipamento de múltiplos estágios empregado na indústria de petróleo para aumentar a vazão de óleo produzido. A BCS se destina ao bombeamento de líquidos e normalmente é instalada no interior do poço de petróleo ou, em aplicações especiais, no leito marinho. Caso o fluido apresente gás livre, a BCS sofre uma degradação em termos de ganho de pressão e eficiência, podendo ocorrer instabilidades operacionais. A fronteira de estabilidade do equipamento é conhecida como ponto de "surging". Os manuseadores de gás são dispositivos rotativos com geometria especial instalados a montante da BCS e com maior tolerância ao gás livre. Foram realizados ensaios experimentais de um manuseador de gás e de uma BCS em uma bancada de testes horizontal, empregando água e ar como fluidos de trabalho. Avaliou-se uma BCS convencional e um manuseador de gás comercial com geometria hélico axial, designado por HGH ¿ "Helico-axial Gas Handler". Os equipamentos foram testados isoladamente e em série, com medição do ganho de pressão e torque para diferentes condições de vazão de líquido, rotação, pressão de admissão e fração volumétrica de gás ?_g (razão entre as vazões volumétricas de gás e de mistura). Foram avaliadas as condições operacionais para as quais cada um dos equipamentos é mais adequado em termos de ganho de pressão e eficiência. Também foi avaliado o efeito do HGH sobre as curvas de ganho de pressão da BCS instalada a jusante, constando-se o deslocamento do ponto de "surging". Foi deduzida uma expressão para o ganho de pressão ideal do HGH operando com líquido monofásico, análoga à equação de Euler para uma BCS radial. Desenvolveram-se modelos monofásicos e bifásicos para o ganho de pressão e para o torque. Adotou-se o conceito de altura de elevação bifásica de mistura assumindo compressão isotérmica em cada estágio. Para o escorregamento entre fases nos impelidores foi empregada uma analogia com dutos descendentes, ressaltando as diferenças entre os fenômenos. Foi considerado que para o bombeamento bifásico as perdas de ganho de pressão e de potência de eixo podem ser expressas pelas mesmas expressões que para o bombeamento monofásico, porém com os coeficientes dependentes da fração volumétrica de gás, da razão entre as massas específicas das fases e da rotação normalizada. Foi proposta uma metodologia simplificada para a análise e o projeto de um sistema de elevação artificial composto por estágios de HGH e BCS Abstract: The ESP ¿ electrical submersible pump ¿ is a multistage equipment used in the oil industry in order to increase the oil flow rate. The ESP was originally designed to pump liquids. It is usually installed in the well or, under specific conditions, on the seabed. If there is free gas in the fluid, the ESP performance degrades in terms of developed pressure and efficiency. Additionally, there might be operational instabilities. The stability boundary is commonly referred to as the "surging point". Gas handlers are rotary devices with special geometries, installed upstream the ESP, which tolerate more free gas than conventional ESPs. A conventional ESP and a commercial HGH ¿ helico axial gas handler ¿ haven been evaluated on a horizontal test bench employing water and air as working fluids. These devices were tested separately and in tandem, with pressure and torque being measured for different conditions of liquid flow rate, rotation, intake pressure and gas volumetric fraction ?_g (also known as no-slip hold up or as gas void fraction, defined as the ratio between the gas and the mixture volumetric flow rates). The tests compared the pressure gain and the efficiency of both devices for different operational conditions. There was a change in the surging points of the ESP when an HGH was installed upstream. An ideal equation for the pressure gain of the HGH was deduced, analogous to Euler equation for a radial ESP. Single-phase and two-phase models were developed for the pressure gain and for the torque. The two-phase mixture head assumed isothermal compression in each stage. The phase slip in the impellers was considered analogous to the downward flow in pipes. It was assumed that the two-phase losses in the pressure gain and in the brake horsepower can be expressed by the single-phase equations, however with the model coefficients depending on the gas volumetric fraction, on the gas-liquid specific mass ratio and on the normalized rotation. A simplified analysis and design method was proposed for an artificial lift system composed of HGH and ESP stages in tandem Mestrado Explotação Mestre em Ciências e Engenharia de Petróleo Funcamp PETROBRAS

Orientador: Ricardo Augusto Mazza Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: O escoamento em golfadas é o padrão mais importante dos escoamentos bifásicos devido a sua ocorrência em uma ampla faixa de vazões de liquido e gás. Além disso, por ser o padrão golfadas caracterizado por uma sucessão de pistões de líquido seguidos por bolhas alongadas de gás, todos os padrões bifásicos podem ser reconhecidos nele. Também, o padrão golfadas está presente em muitos equipamentos industriais utilizados em atividades com grande interesse econômico. E, em muitas das aplicações industriais, há a necessidade de se aumentar ou diminuir a vazão volumétrica de uma das fases, o que gera uma onda de pressão e de fração de vazio. Conhecer o comportamento da propagação dessas ondas é de suma importância na avaliação do desempenho dos equipamentos. Esse trabalho utiliza um modelo de seguimento dinâmico de bolhas e pistões, conhecido como slug tracking, para estudar o comportamento dessas ondas. O modelo escolhido para o estudo foi o proposto por Rosa et al. (2015) por ser um modelo que considera os efeitos de compressibilidade do escoamento, entre outros termos. O estudo numérico é realizado através do escoamento ao longo de um duto horizontal com diâmetro interno de 0,026 m e comprimento de 22,256 m, e os fluidos utilizados foram ar e água. A capacidade de previsão do modelo para a velocidade de propagação da onda de pressão é fortemente influenciada pela condição de contorno, principalmente pelo tempo necessário para que a vazão do novo estado de regime permanente seja atingida na entrada da tubulação. Uma metodologia para se avaliar esse tempo é proposta baseado na constante de amortecimento da oscilação em um sistema tipo massa-mola-amortecedor. Os resultados numéricos foram confrontados com dados experimentais publicados por Maria (2016). O modelo captura as principais características da onda de pressão e de fração de vazio, desde que a condição de entrada respeite o tempo necessário para se atingir o novo estado de regime permanente determinado pela constante de amortecimento Abstract: The slug flow is the most important two-phase flow pattern because it occurs in a wide range of gas and liquid volumetric flow rates. Also, because the slug flow pattern is characterized by a succession of an aerated liquid pistons trailed by a long gas bubble along the pipe, all the two-phase patterns can be recognized in it. Furthermore, the slug flow pattern is present in many industrial equipment used in industrial activities with great economic interest. And, many industrial applications require an increase or decrease in either the gas or the liquid flow rate, which generate the void fraction and pressure waves. The void fraction and pressure wave propagation studies are very important in the equipment's performance evaluation. This work uses a slug tracking model proposed by Rosa et al. (2015) to study the behavior of these waves. This model was chosen because the flow compressibility is considered among other effects. The studies were conducted on a horizontal pipe with 26 mm ID and 22.256 m long and the working fluids were air and water. The inlet boundary condition has great influence in the model's calculation capability for the pressure wave velocity, mainly as to how much time is needed for the new steady state regimen needs for to be achieved at inlet. One methodology to assess this time is proposed based in the damping ratio for a mass-spring-damper free vibration system. The numerical results were compared with the experimental data published by Maria (2016). The model captures the main characteristics of the void fraction and of the pressure wave only if the inlet boundary condition allows the necessary time for the new steady state regimen to be established, which is determined by the damping ratio Mestrado Térmica e Fluídos Mestra em Engenharia Mecânica CNPQ 154352/2014-4 Funcamp 4721

Orientador: Niederauer Mastelari Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica 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 Mecânica dos Sólidos e Projeto Mecânico Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Ricardo Augusto Mazza Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: O escoamento bifásico intermitente está presente em inúmeras aplicações industriais, como no transporte de hidrocarbonetos, sistemas de refrigeração de plantas térmicas ou reatores nucleares, sistemas de refrigeração por compressão e vapor e ar condicionado, etc. Apesar de a maioria das aplicações industriais ocorrer em linhas horizontais, verticais e inclinadas, a maior parte delas estão sujeitos à presença de transições. Especialmente em sistemas complexos quando é necessário o uso de vários tipos de equipamentos diferentes. Dentre todas as transições, a curva vertical ascendente para horizontal destaca-se por estar presente na maioria das linhas bifásicas apesar de sua influência ser pouco compreendida até hoje. Em uma curva cada fase é submetida a uma força centrífuga diferente o que induzir um novo padrão de comportamento. O objetivo deste trabalho é estudar o efeito deste tipo de transição nos parâmetros do escoamento intermitente como velocidade e comprimento da bolha alongada, comprimento do pistão de líquido, frequência e queda de pressão. Para isto, um aparato experimental composto por uma linha vertical conectada a uma linha horizontal por meio de uma curva de 90° de raio longo (R/D?5,5) foi construído. As tubulações possuem 26 mm de diâmetro interno e os fluidos de trabalho são ar comprimido e água comum. Uma estação de medida foi instalada na linha vertical e outra na linha horizontal, ambas instrumentadas com sensores de condutância. Dois modelos de curva, de mesmo raio, foram construídos. Um modelo foi instrumentado com cinco sensores de condutância, que trabalham em pares e formam quatro estações de medida, tornando possível, assim, a aquisição dos parâmetros do escoamento em várias posições ao longo da curva. O outro modelo de curva foi construído em acrílico transparente, sendo utilizado para realização das filmagens do escoamento. Os testes realizados abrangeram oito diferentes combinações de vazões com velocidade superficial do gás e do líquido variando de 0,3 a 1,2 m/s. O comportamento do escoamento foi investigado qualitativamente por meio de ensaios fotográficos e filmagens realizadas com uma câmera de alta velocidade. As imagens do escoamento foram obtidas na linha vertical, horizontal e ao longo da curva. Os resultados encontrados com os sensores de condutância foram comparados com valores teóricos e experimentais, obtidos em linhas retilíneas inclinadas em diferentes ângulos Abstract: There are many important industrial applications with two-phase slug flow such as hydrocarbon transportation, refrigeration systems of thermal plants or nuclear reactors, compressed vapor refrigeration system, among others. Despite the fact that most industrial applications occur in horizontal, vertical and inclined lines, many of them are subject to the presence of transitions. Especially in complex systems when the use of several types of different equipment is necessary. Among all transitions, the bend in the upward vertical to horizontal has a major importance by be present in most two-phase flow lines but his influence is poorly understood until today. Along a bend, each phase is subject to different centrifugal force that induces a new behavior pattern. The objective of this work is to study the impact of this transition on the slug flow parameters, such as: velocity and length of the elongated bubble, liquid piston length, frequency and pressure drop. To accomplish this, an experimental apparatus composed of a vertical line connected to a horizontal one through a 90° bend of long radius (R/D?5,5) was constructed. The pipes have 26 mm ID and the working fluids are compressed air and tap water. A measure station was installed in the vertical line and another in the horizontal line, both instrumented with a twin set of wire conductance probes. Two models of long radius bends were constructed. One of them was instrumented with five wire conductance probes working in pairs, forming four measuring stations, making the acquisition of the flow parameters possible at various positions along the bend. The other one was made of transparent Plexiglas and used for filming the flow. The tests covered eight different combinations of flow rate with gas and liquid superficial velocity ranging from 0.3 to 1.2 m/s. The flow behavior was investigated qualitatively by means of photographic shots and filming carried out with a high speed camera. The images of the flow were obtained in the vertical line, horizontal line and along the bend. The results acquired with the conductance probes were compared with theoretical and experimental values obtained in straight lines inclined at different angles Mestrado Térmica e Fluídos Mestre em Engenharia Mecânica Funcamp 4357, 4721 PETROBRAS