Investigação numérica da sedimentação de partícula em fluido de lei de potência utilizando o método lattice – Bolzmann

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2018
Autor(a) principal: Nardi, Vanessa Glück
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Dissertação
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: eng
Instituição de defesa: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Curitiba
Brasil
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica e de Materiais
UTFPR
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Link de acesso: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/3467
Resumo: Sedimentation of individual particles immersed in non-Newtonian fluid is of great industrial interest. Specifically in the oil and gas industry, cuttings generated from the drilling process must be constantly removed in order to properly clean the drill bit region. Thus, cuttings sedimentation must be avoided so that additional complications such as drill blocking and an unwanted operational stop are avoided. In this way, the drilling fluid must be carefully designed so that the it can fulfill these and others specifications. Therefore, it is of great importance to understand the dynamics of particles sedimentation in drilling muds. In this work, a numerical solution for particle settling in a non-Newtonian fluid is presented. The problem consists of a 2D particle released from rest in a quiescent non-Newtonian media within a fixed container. The fluid viscous behavior is represented by a Power-low expression. The aim of the present work was to develop a program able to adequately represent particle motion immersed in Power-law fluid. Based on the literature review, the problem was solved via a direct force immersed boundary- lattice Boltzmann method and its implementation was done via FORTRAN programming language. The Power-law effect was incorporated in the code by means of the adaptive viscosity method. Through verification problems, it was shown that the developed program was able to satisfactorily represent the particle settling dynamics in Newtonian and Power-Law fluids. A parametric study was then performed varying the particle diameter, d, Power-law index, n and particle/fluid density ratio, ρr. In general, regardless of the d and ρr combination, an increase of shear-thinning behavior leads to higher settling velocities. Results were then written in dimensionless form in such a way that results for the generalized particle Reynolds number, Repl;T , and the drag coefficient, CD;T , experienced by the particle at its terminal velocity, are based only on the Power-law index and on the generalized Archimedes number Arpl.
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spelling Investigação numérica da sedimentação de partícula em fluido de lei de potência utilizando o método lattice – BolzmannA numerical study of particle settling in power–law fluids using lattice – Boltzmann methodArquimedesSedimentação e depósitosSedimentos (Geologia)Arrasto (Aerodinâmica)Teoria do transporteMétodo Lattice BoltzmannFORTRAN (Linguagem de programação de computador)ArquimedesSedimentation and depositionSediments (Geology)Drag (Aerodynamics)Transport theoryLattice Boltzmann methodsFORTRAN (Computer program language)CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::FENOMENOS DE TRANSPORTEEngenharia MecânicaSedimentation of individual particles immersed in non-Newtonian fluid is of great industrial interest. Specifically in the oil and gas industry, cuttings generated from the drilling process must be constantly removed in order to properly clean the drill bit region. Thus, cuttings sedimentation must be avoided so that additional complications such as drill blocking and an unwanted operational stop are avoided. In this way, the drilling fluid must be carefully designed so that the it can fulfill these and others specifications. Therefore, it is of great importance to understand the dynamics of particles sedimentation in drilling muds. In this work, a numerical solution for particle settling in a non-Newtonian fluid is presented. The problem consists of a 2D particle released from rest in a quiescent non-Newtonian media within a fixed container. The fluid viscous behavior is represented by a Power-low expression. The aim of the present work was to develop a program able to adequately represent particle motion immersed in Power-law fluid. Based on the literature review, the problem was solved via a direct force immersed boundary- lattice Boltzmann method and its implementation was done via FORTRAN programming language. The Power-law effect was incorporated in the code by means of the adaptive viscosity method. Through verification problems, it was shown that the developed program was able to satisfactorily represent the particle settling dynamics in Newtonian and Power-Law fluids. A parametric study was then performed varying the particle diameter, d, Power-law index, n and particle/fluid density ratio, ρr. In general, regardless of the d and ρr combination, an increase of shear-thinning behavior leads to higher settling velocities. Results were then written in dimensionless form in such a way that results for the generalized particle Reynolds number, Repl;T , and the drag coefficient, CD;T , experienced by the particle at its terminal velocity, are based only on the Power-law index and on the generalized Archimedes number Arpl.Fundação de Apoio à Educação, Pesquisa e Desenvolvimento Científico e Tecnológico da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (FUNTEF-PR)Sedimentação de partículas imersas em fluidos não newtonianos é de grande interesse industrial. Especificamente na indústria de petróleo, os cascalhos oriundos do processo de perfuração da rocha devem ser constantemente removidos de forma a limpar adequadamente a região da broca. Sendo assim, a sedimentação de cascalhos deve ser evitada de forma que complicações adicionais como o bloqueio da broca e uma parada operacional não programada sejam evitadas. Dessa forma, as propriedades reológicas do fluido de perfuração devem ser cuidadosamente arranjadas para que o fluido possa cumprir essas, dentre outras, funções. Portanto, é de grande importância entender a dinâmica da sedimentação de partículas em fluidos de perfuração. Neste trabalho, uma solução numérica para investigação da sedimentação de partículas em fluidos não newtonianos foi proposta. O problema consiste em uma partícula 2D liberada a partir do repouso em um fluido não-newtoniano representado por uma expressão de lei de potência. O objetivo do presente trabalho foi desenvolver um programa capaz de representar adequadamente o movimento de partículas imersas em um fluido Power-law. Com base na revisão da literatura, o problema foi resolvido através do método lattice-Boltzmann acoplado ao método da fronteira imersa e sua implementação foi feita via linguagem FORTRAN. O efeito Power-law foi incorporado ao programa através do método da viscosidade adaptativa. Por meio de problemas de verificação, foi comprovado que o programa desenvolvido foi capaz de representar satisfatoriamente a dinâmica de sedimentação de partículas em fluidos Newtonianos e em fluidos Power-Law. Um estudo paramétrico foi então realizado variando o diâmetro das partículas, d, o índice de lei de potência, n e razão de densidades partícula / fluido, ρr. Em geral, independentemente da combinação de d e ρr, um aumento do comportamento pseudoplásico leva a maiores velocidades de sedimentação. Os resultados foram então escritos na forma adimensional, de tal forma que o número de Reynolds generalizado, Repl;T e o coeficiente de arrasto, CD;T , experimentados pela partícula em sua velocidade terminal , pudessem ser escritos em função de n e do número de Arquimedes generalizado, Arpl.Universidade Tecnológica Federal do ParanáCuritibaBrasilPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica e de MateriaisUTFPRFranco, Admilson Teixeirahttp://lattes.cnpq.br/3561428456009236Negrão, Cezar Otaviano Ribeirohttp://lattes.cnpq.br/4344790398205987Franco, Admilson TeixeiraJunqueira, Silvio Luiz de MelloNaaktgeboren, ChristianPhilippi, Paulo CesarNardi, Vanessa Glück2018-09-28T18:35:49Z2018-09-28T18:35:49Z2018-06-29info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfNARDI, Vanessa Glück. A numerical study of particle settling in Power–law fluids using lattice – Boltzmann method. 2018. 108 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica e de Materiais) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2018.http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/3467enginfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT))instname:Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)instacron:UTFPR2018-09-29T06:01:03Zoai:repositorio.utfpr.edu.br:1/3467Repositório InstitucionalPUBhttp://repositorio.utfpr.edu.br:8080/oai/requestriut@utfpr.edu.br || sibi@utfpr.edu.bropendoar:2018-09-29T06:01:03Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT)) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)false
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