Dinâmica de bolhas no escoamento bifásico estacionário em meios porosos desordenados
| Ano de defesa: | 2023 |
|---|---|
| Autor(a) principal: | |
| Orientador(a): | |
| Banca de defesa: | |
| Tipo de documento: | Tese |
| Tipo de acesso: | Acesso aberto |
| Idioma: | por |
| Instituição de defesa: |
Não Informado pela instituição
|
| Programa de Pós-Graduação: |
Não Informado pela instituição
|
| Departamento: |
Não Informado pela instituição
|
| País: |
Não Informado pela instituição
|
| Área do conhecimento CNPq: | |
| Link de acesso: | http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/74585 |
Resumo: | Two-phase flow through porous media leads to the formation of bubbles that eventually break and merge or can become trapped in the porous matrix. This highly complex dynamic behavior creates characteristic fluctuations in the velocity fields of the two phases and strongly influences macroscopic properties such as effective permeability. In order to better understand how the microscopic behavior affects the macroscopic properties of the flow, we simulate the velocity fields of two immiscible fluids flowing through a two-dimensional porous medium. We found that the bubble size, m, follows a power law distribution, P(m) ∝ m−ξ , where the exponent ξ depends on the capillary number, Ca, which describes the ratio between the viscous and interfacial forces. Below a characteristic capillary number, given by Ca∗ ≈ 0.046, the bubbles are large and cohesive with a constant exponent ξ ≈ 1.23 ± 0.03. Above this value, the flow is dominated by many droplets and finger-like spanning clusters. In this regime the exponent ξ increases approaching 2.05 ± 0.03 in the limit when Ca → ∞. Moreover, by analyzing the fluctuations in the velocity fields of the two phases, we find that the system is ergodic for large volume fractions of the less viscous phase and high values of Ca. The fluctuations in the velocity time series present avalanches whose sizes follow a power law distribution, P(∆t) ∝ (∆t)−η , while the velocity jumps follow a Gaussian distribution. Analyzes by the DFA method show long-range correlations in the time series. The characteristic velocity of the flow, calculated as the mean value of the time series of the mixture of the two phases, follows a generalization of Darcy’s law in the form v(m) ∝ (∇p)β , where ∇p is the applied global pressure gradient and the exponent β depends on the surface tension between the two phases. For high values of capillary number, the constant of proportionality in this relation, called mobility, increases exponentially with the saturation of the less viscous phase. This result is in agreement with previous observations for effective permeabilities in dissolved gas powered reservoirs. |
| id |
UFC-7_4d4499c75cbafdafd63b0daf8753951e |
|---|---|
| oai_identifier_str |
oai:repositorio.ufc.br:riufc/74585 |
| network_acronym_str |
UFC-7 |
| network_name_str |
Repositório Institucional da Universidade Federal do Ceará (UFC) |
| repository_id_str |
|
| spelling |
Sales, Jonathan Márcio AmâncioOliveira, Claudio Lucas Nunes de2023-10-04T18:26:11Z2023-10-04T18:26:11Z2023SALES, J. M. A. Dinâmica de bolhas no escoamento bifásico estacionário em meios porosos desordenados. 2023. Tese (Doutorado em Física) - Centro de Ciências, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2023.http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/74585Two-phase flow through porous media leads to the formation of bubbles that eventually break and merge or can become trapped in the porous matrix. This highly complex dynamic behavior creates characteristic fluctuations in the velocity fields of the two phases and strongly influences macroscopic properties such as effective permeability. In order to better understand how the microscopic behavior affects the macroscopic properties of the flow, we simulate the velocity fields of two immiscible fluids flowing through a two-dimensional porous medium. We found that the bubble size, m, follows a power law distribution, P(m) ∝ m−ξ , where the exponent ξ depends on the capillary number, Ca, which describes the ratio between the viscous and interfacial forces. Below a characteristic capillary number, given by Ca∗ ≈ 0.046, the bubbles are large and cohesive with a constant exponent ξ ≈ 1.23 ± 0.03. Above this value, the flow is dominated by many droplets and finger-like spanning clusters. In this regime the exponent ξ increases approaching 2.05 ± 0.03 in the limit when Ca → ∞. Moreover, by analyzing the fluctuations in the velocity fields of the two phases, we find that the system is ergodic for large volume fractions of the less viscous phase and high values of Ca. The fluctuations in the velocity time series present avalanches whose sizes follow a power law distribution, P(∆t) ∝ (∆t)−η , while the velocity jumps follow a Gaussian distribution. Analyzes by the DFA method show long-range correlations in the time series. The characteristic velocity of the flow, calculated as the mean value of the time series of the mixture of the two phases, follows a generalization of Darcy’s law in the form v(m) ∝ (∇p)β , where ∇p is the applied global pressure gradient and the exponent β depends on the surface tension between the two phases. For high values of capillary number, the constant of proportionality in this relation, called mobility, increases exponentially with the saturation of the less viscous phase. This result is in agreement with previous observations for effective permeabilities in dissolved gas powered reservoirs.O escoamento bifásico em meios porosos leva à formação de bolhas que eventualmente se quebram e se fundem ou podem ficar presas na matriz porosa. Esse comportamento dinâmico altamente complexo cria flutuações características nos campos de velocidade das duas fases e influencia fortemente as propriedades macroscópicas, como a permeabilidade efetiva. A fim de entender melhor como o comportamento microscópico afeta as propriedades macroscópicas do escoamento, nós simulamos os campos de velocidade de dois fluidos imiscíveis escoando em um meio poroso bidimensional. Nós encontramos que os tamanhos das bolhas, m, seguem uma distribuição em lei de potência, P(m) ∝ m−ξ , onde o expoente ξ depende do número capilar, Ca, que descreve a razão entre as forças viscosas e interfaciais. Abaixo de um número capilar característico, dado por Ca∗ ≈ 0,046, as bolhas são grandes e coesas com um expoente constante ξ ≈ 1,23 ± 0,03. Acima desse valor, o escoamento é dominado por muitas gotículas e alguns aglomerados longo e finos. Neste regime o expoente ξ aumenta, aproximando-se de 2,05±0,03 no limite quando Ca → ∞. Além disso, analisando as flutuações nos campos de velocidade das duas fases, nós descobrimos que o sistema é ergódico para grandes frações de volume da fase menos viscosa e altos valores de Ca. As flutuações nas séries temporais da velocidade apresentam avalanches cujos tamanhos seguem uma distribuição em lei de potência, P(∆t) ∝ (∆t)−η , enquanto os saltos de velocidade seguem uma distribuição gaussiana. Análises pelo método DFA mostram correlações de longo alcance nas séries temporais. A velocidade característica do escoamento total, calculada como o valor médio da série temporal da mistura das duas fases, segue uma generalização da lei de Darcy na forma v(m) ∝ (∇p)β , onde ∇p é o gradiente de pressão global aplicado e o expoente β depende da tensão superficial entre as duas fases. Para altos valores de número capilar, a constante de proporcionalidade nesta relação, chamado mobilidade, aumenta exponencialmente com a saturação da fase menos viscosa. Este resultado está de acordo com observações anteriores para permeabilidades efetivas em reservatórios movidos a gás dissolvido.Dinâmica de bolhas no escoamento bifásico estacionário em meios porosos desordenadosinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisEscoamento bifásicoMeios porososCorrelações temporaisRelações de OnsagerCNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA::FISICA DA MATERIA CONDENSADAinfo:eu-repo/semantics/openAccessporreponame:Repositório Institucional da Universidade Federal do Ceará (UFC)instname:Universidade Federal do Ceará (UFC)instacron:UFC2023LICENSElicense.txtlicense.txttext/plain; charset=utf-81748http://repositorio.ufc.br/bitstream/riufc/74585/6/license.txt8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33MD56ORIGINAL2023_tese_jmasales.pdf2023_tese_jmasales.pdfapplication/pdf21113356http://repositorio.ufc.br/bitstream/riufc/74585/7/2023_tese_jmasales.pdfc07fdc0573af5d399df52f10c4bce641MD57riufc/745852023-10-04 15:48:33.542oai:repositorio.ufc.br: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Repositório InstitucionalPUBhttp://www.repositorio.ufc.br/ri-oai/requestbu@ufc.br || repositorio@ufc.bropendoar:2023-10-04T18:48:33Repositório Institucional da Universidade Federal do Ceará (UFC) - Universidade Federal do Ceará (UFC)false |
| dc.title.pt_BR.fl_str_mv |
Dinâmica de bolhas no escoamento bifásico estacionário em meios porosos desordenados |
| title |
Dinâmica de bolhas no escoamento bifásico estacionário em meios porosos desordenados |
| spellingShingle |
Dinâmica de bolhas no escoamento bifásico estacionário em meios porosos desordenados Sales, Jonathan Márcio Amâncio CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA::FISICA DA MATERIA CONDENSADA Escoamento bifásico Meios porosos Correlações temporais Relações de Onsager |
| title_short |
Dinâmica de bolhas no escoamento bifásico estacionário em meios porosos desordenados |
| title_full |
Dinâmica de bolhas no escoamento bifásico estacionário em meios porosos desordenados |
| title_fullStr |
Dinâmica de bolhas no escoamento bifásico estacionário em meios porosos desordenados |
| title_full_unstemmed |
Dinâmica de bolhas no escoamento bifásico estacionário em meios porosos desordenados |
| title_sort |
Dinâmica de bolhas no escoamento bifásico estacionário em meios porosos desordenados |
| author |
Sales, Jonathan Márcio Amâncio |
| author_facet |
Sales, Jonathan Márcio Amâncio |
| author_role |
author |
| dc.contributor.author.fl_str_mv |
Sales, Jonathan Márcio Amâncio |
| dc.contributor.advisor1.fl_str_mv |
Oliveira, Claudio Lucas Nunes de |
| contributor_str_mv |
Oliveira, Claudio Lucas Nunes de |
| dc.subject.cnpq.fl_str_mv |
CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA::FISICA DA MATERIA CONDENSADA |
| topic |
CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA::FISICA DA MATERIA CONDENSADA Escoamento bifásico Meios porosos Correlações temporais Relações de Onsager |
| dc.subject.ptbr.pt_BR.fl_str_mv |
Escoamento bifásico Meios porosos Correlações temporais Relações de Onsager |
| description |
Two-phase flow through porous media leads to the formation of bubbles that eventually break and merge or can become trapped in the porous matrix. This highly complex dynamic behavior creates characteristic fluctuations in the velocity fields of the two phases and strongly influences macroscopic properties such as effective permeability. In order to better understand how the microscopic behavior affects the macroscopic properties of the flow, we simulate the velocity fields of two immiscible fluids flowing through a two-dimensional porous medium. We found that the bubble size, m, follows a power law distribution, P(m) ∝ m−ξ , where the exponent ξ depends on the capillary number, Ca, which describes the ratio between the viscous and interfacial forces. Below a characteristic capillary number, given by Ca∗ ≈ 0.046, the bubbles are large and cohesive with a constant exponent ξ ≈ 1.23 ± 0.03. Above this value, the flow is dominated by many droplets and finger-like spanning clusters. In this regime the exponent ξ increases approaching 2.05 ± 0.03 in the limit when Ca → ∞. Moreover, by analyzing the fluctuations in the velocity fields of the two phases, we find that the system is ergodic for large volume fractions of the less viscous phase and high values of Ca. The fluctuations in the velocity time series present avalanches whose sizes follow a power law distribution, P(∆t) ∝ (∆t)−η , while the velocity jumps follow a Gaussian distribution. Analyzes by the DFA method show long-range correlations in the time series. The characteristic velocity of the flow, calculated as the mean value of the time series of the mixture of the two phases, follows a generalization of Darcy’s law in the form v(m) ∝ (∇p)β , where ∇p is the applied global pressure gradient and the exponent β depends on the surface tension between the two phases. For high values of capillary number, the constant of proportionality in this relation, called mobility, increases exponentially with the saturation of the less viscous phase. This result is in agreement with previous observations for effective permeabilities in dissolved gas powered reservoirs. |
| publishDate |
2023 |
| dc.date.accessioned.fl_str_mv |
2023-10-04T18:26:11Z |
| dc.date.available.fl_str_mv |
2023-10-04T18:26:11Z |
| dc.date.issued.fl_str_mv |
2023 |
| dc.type.status.fl_str_mv |
info:eu-repo/semantics/publishedVersion |
| dc.type.driver.fl_str_mv |
info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |
| format |
doctoralThesis |
| status_str |
publishedVersion |
| dc.identifier.citation.fl_str_mv |
SALES, J. M. A. Dinâmica de bolhas no escoamento bifásico estacionário em meios porosos desordenados. 2023. Tese (Doutorado em Física) - Centro de Ciências, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2023. |
| dc.identifier.uri.fl_str_mv |
http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/74585 |
| identifier_str_mv |
SALES, J. M. A. Dinâmica de bolhas no escoamento bifásico estacionário em meios porosos desordenados. 2023. Tese (Doutorado em Física) - Centro de Ciências, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2023. |
| url |
http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/74585 |
| dc.language.iso.fl_str_mv |
por |
| language |
por |
| dc.rights.driver.fl_str_mv |
info:eu-repo/semantics/openAccess |
| eu_rights_str_mv |
openAccess |
| dc.source.none.fl_str_mv |
reponame:Repositório Institucional da Universidade Federal do Ceará (UFC) instname:Universidade Federal do Ceará (UFC) instacron:UFC |
| instname_str |
Universidade Federal do Ceará (UFC) |
| instacron_str |
UFC |
| institution |
UFC |
| reponame_str |
Repositório Institucional da Universidade Federal do Ceará (UFC) |
| collection |
Repositório Institucional da Universidade Federal do Ceará (UFC) |
| bitstream.url.fl_str_mv |
http://repositorio.ufc.br/bitstream/riufc/74585/6/license.txt http://repositorio.ufc.br/bitstream/riufc/74585/7/2023_tese_jmasales.pdf |
| bitstream.checksum.fl_str_mv |
8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33 c07fdc0573af5d399df52f10c4bce641 |
| bitstream.checksumAlgorithm.fl_str_mv |
MD5 MD5 |
| repository.name.fl_str_mv |
Repositório Institucional da Universidade Federal do Ceará (UFC) - Universidade Federal do Ceará (UFC) |
| repository.mail.fl_str_mv |
bu@ufc.br || repositorio@ufc.br |
| _version_ |
1847793193647603712 |