Dinâmica de bolhas no escoamento bifásico estacionário em meios porosos desordenados

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2023
Autor(a) principal: Sales, Jonathan Márcio Amâncio
Orientador(a): Oliveira, Claudio Lucas Nunes de
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
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:riufc/74585Tk9URTogUExBQ0UgWU9VUiBPV04gTElDRU5TRSBIRVJFClRoaXMgc2FtcGxlIGxpY2Vuc2UgaXMgcHJvdmlkZWQgZm9yIGluZm9ybWF0aW9uYWwgcHVycG9zZXMgb25seS4KCk5PTi1FWENMVVNJVkUgRElTVFJJQlVUSU9OIExJQ0VOU0UKCkJ5IHNpZ25pbmcgYW5kIHN1Ym1pdHRpbmcgdGhpcyBsaWNlbnNlLCB5b3UgKHRoZSBhdXRob3Iocykgb3IgY29weXJpZ2h0Cm93bmVyKSBncmFudHMgdG8gRFNwYWNlIFVuaXZlcnNpdHkgKERTVSkgdGhlIG5vbi1leGNsdXNpdmUgcmlnaHQgdG8gcmVwcm9kdWNlLAp0cmFuc2xhdGUgKGFzIGRlZmluZWQgYmVsb3cpLCBhbmQvb3IgZGlzdHJpYnV0ZSB5b3VyIHN1Ym1pc3Npb24gKGluY2x1ZGluZwp0aGUgYWJzdHJhY3QpIHdvcmxkd2lkZSBpbiBwcmludCBhbmQgZWxlY3Ryb25pYyBmb3JtYXQgYW5kIGluIGFueSBtZWRpdW0sCmluY2x1ZGluZyBidXQgbm90IGxpbWl0ZWQgdG8gYXVkaW8gb3IgdmlkZW8uCgpZb3UgYWdyZWUgdGhhdCBEU1UgbWF5LCB3aXRob3V0IGNoYW5naW5nIHRoZSBjb250ZW50LCB0cmFuc2xhdGUgdGhlCnN1Ym1pc3Npb24gdG8gYW55IG1lZGl1bSBvciBmb3JtYXQgZm9yIHRoZSBwdXJwb3NlIG9mIHByZXNlcnZhdGlvbi4KCllvdSBhbHNvIGFncmVlIHRoYXQgRFNVIG1heSBrZWVwIG1vcmUgdGhhbiBvbmUgY29weSBvZiB0aGlzIHN1Ym1pc3Npb24gZm9yCnB1cnBvc2VzIG9mIHNlY3VyaXR5LCBiYWNrLXVwIGFuZCBwcmVzZXJ2YXRpb24uCgpZb3UgcmVwcmVzZW50IHRoYXQgdGhlIHN1Ym1pc3Npb24gaXMgeW91ciBvcmlnaW5hbCB3b3JrLCBhbmQgdGhhdCB5b3UgaGF2ZQp0aGUgcmlnaHQgdG8gZ3JhbnQgdGhlIHJpZ2h0cyBjb250YWluZWQgaW4gdGhpcyBsaWNlbnNlLiBZb3UgYWxzbyByZXByZXNlbnQKdGhhdCB5b3VyIHN1Ym1pc3Npb24gZG9lcyBub3QsIHRvIHRoZSBiZXN0IG9mIHlvdXIga25vd2xlZGdlLCBpbmZyaW5nZSB1cG9uCmFueW9uZSdzIGNvcHlyaWdodC4KCklmIHRoZSBzdWJtaXNzaW9uIGNvbnRhaW5zIG1hdGVyaWFsIGZvciB3aGljaCB5b3UgZG8gbm90IGhvbGQgY29weXJpZ2h0LAp5b3UgcmVwcmVzZW50IHRoYXQgeW91IGhhdmUgb2J0YWluZWQgdGhlIHVucmVzdHJpY3RlZCBwZXJtaXNzaW9uIG9mIHRoZQpjb3B5cmlnaHQgb3duZXIgdG8gZ3JhbnQgRFNVIHRoZSByaWdodHMgcmVxdWlyZWQgYnkgdGhpcyBsaWNlbnNlLCBhbmQgdGhhdApzdWNoIHRoaXJkLXBhcnR5IG93bmVkIG1hdGVyaWFsIGlzIGNsZWFybHkgaWRlbnRpZmllZCBhbmQgYWNrbm93bGVkZ2VkCndpdGhpbiB0aGUgdGV4dCBvciBjb250ZW50IG9mIHRoZSBzdWJtaXNzaW9uLgoKSUYgVEhFIFNVQk1JU1NJT04gSVMgQkFTRUQgVVBPTiBXT1JLIFRIQVQgSEFTIEJFRU4gU1BPTlNPUkVEIE9SIFNVUFBPUlRFRApCWSBBTiBBR0VOQ1kgT1IgT1JHQU5JWkFUSU9OIE9USEVSIFRIQU4gRFNVLCBZT1UgUkVQUkVTRU5UIFRIQVQgWU9VIEhBVkUKRlVMRklMTEVEIEFOWSBSSUdIVCBPRiBSRVZJRVcgT1IgT1RIRVIgT0JMSUdBVElPTlMgUkVRVUlSRUQgQlkgU1VDSApDT05UUkFDVCBPUiBBR1JFRU1FTlQuCgpEU1Ugd2lsbCBjbGVhcmx5IGlkZW50aWZ5IHlvdXIgbmFtZShzKSBhcyB0aGUgYXV0aG9yKHMpIG9yIG93bmVyKHMpIG9mIHRoZQpzdWJtaXNzaW9uLCBhbmQgd2lsbCBub3QgbWFrZSBhbnkgYWx0ZXJhdGlvbiwgb3RoZXIgdGhhbiBhcyBhbGxvd2VkIGJ5IHRoaXMKbGljZW5zZSwgdG8geW91ciBzdWJtaXNzaW9uLgo=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