Simulação, análise e caracterização computacional de padrões de fingering em deslocamentos de fluidos em meios porosos

• Ano de defesa: 2009
• Autor(a) principal: Mariana Pelissari Monteiro Aguiar Baroni
• Orientador(a): Reinaldo Roberto Rosa, Antônio Ferreira da Silva
• Banca de defesa: Joaquim José Barroso de Castro, José da Rocha Miranda Pontes, Fernando Albuquerque Oliveira
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)
• Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação do INPE em Computação Aplicada
• País: BR
• Resumo em Inglês: In this work, the patterns related to the displacement process of an interface between two ftuids of different mobilities are studied computationally. In the literature, the formation process of these patterns is known as fingering, a type of dynamic instability in the interface between two miscible fluids, where the fingers are classified in two types: density fingering and viscous fingering. Those instabilities can be analyzed using 1D concentration profiles from the average concentration on the concentration matrix in transverse and longitudinal directions of interface propagation. In the first part of this work, the main goal is to study comparatively these two types of fingering from its 1D averaged concentration profiles. To do this, it is used beyond usual structural measures as the mixing length and mean wave number, the gradient asymmetry coefficient as a measure of bilateral asymmetries typically found in the averaged concentration profiles. The results show consistency with the classical analysis of fingering patterns and highlight the similarities and differences between the two types of instabilities indicating the moment that it occur in the nonlinear regime. This analysis is applied to DF patterns, in innovative way, varying the gravity acceleration in this model. For this analysis, the results indicate that the fingering formation results in differents patterns for dífferent values of gravitational acceleration. In the second part of work, it is analyzed a system which presents the fingering phenomenon according to degree of structural complexity. The interaction between the dynamics of coalescence, characteristic of the Rayleigh-Taylor instability, and the number of wavelength, characteristic of diffusive instability, may lead to development of space-time patterns structurally complex. In a general way, all results based on spectral measures, identify the transitions to the strongly nonlinear regime where the diffusive instability appears as the main responsible for the spatio-temporal chaos identified in tho analysis. As a fundamental goal, this study contributes to new simulations and structural measures of fingering patterns in porous media, providing a new characterization of nonlinear processes involved, where the structural complexity shows direct dependence on the choice of constitutive physical parameters.
• Link de acesso: http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m18@80/2009/03.24.13.25

Neste trabalho, os padrões relacionados ao processo de deslocamento de uma interface entre dois fluidos de mobilidades diferentes são estudados computacionalmente. Na literatura o processo de formação desses padrões é conhecido como fingering, um tipo de instabilidade dinâmica presente na interface entre dois fluidos miscíveis, onde classifica-se o surgimenti de fingers em dois tipos: fingering de densidade e fingering de viscosidade. Essas instabilidades podem ser analisadas utilizando perfis unidimensionais de concentração resultantes de média da matriz de concentração nas direções transversal e longitudinal a propagação da interface, Na primeita parte deste trabalho, o objetivo principal é estudar comparativamente esses dois tipos de fingering a partir dos seus perfis de concetração unidimensionais. Para isso, utiliza-se além de medidas estruturais usuais como o comprimento de mistura e o número de onda médio, o coeficiente de assimetria como medida das assimetrias bilaterais tipicamente observadas nos perfis de concentração média. Os resultados apontam coerência com a análise clássica de padrões de fingering e evidenciam similaridades e diferenças enre os dois tipos de instabilidades indicando o momento em que ocorrem no regime não-linear. Essa análise é aplicada de forma inédita aos padrões de DF variando a aceleração da gravidade presente no modelo. Para essa análise, os resultadis indicam que o processo de fingering resulta diferentes padrões para diferentes valores da aceleração gravitacional. Na segunda parte do trabalho, analisa-se um sistema que apresenta o fenômeno de fingering segundo o grau de complexidade estrutural. A interação entre a dinâmica de coalescência, característica da instabilidade de Rayleigh-Taylor, e o número fixo de comprimento de onda, característica da instabilidade difusiva, podem levar a evolução de padrões espaço-temporais estruturalmente complexos. De um modo geral, todos os resultados, baseados em medidas espectrais, identificam as transições para o regime fortemente não-linear, onde a instabilidade difusiva aparece como a principal responsável pelo regime de caos espaço-temporal identificado nas análises. Como objetivo fundamental, este trabalho contribui com novas simulações e medidas estruturais de padrões de fingering em meios porosos, propiciando uma nova caracterização dos processos não-lineares envolvidos, onde a complexidade estrutural apresenta dependência direta da escolha de parâmetros físicos constitutivos.