A numerical study of two-particle settling in a thixotropic fluid using the immersed Boundary–Lattice Boltzmann method

• Autor(a) principal: Ferrari, Marco Aurelio
• Data de Publicação: 2021
• Tipo de documento: Dissertação
• Idioma: eng
• Título da fonte: Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT))
• Texto Completo: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/24690
• topic: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::ENGENHARIA TERMICA; Fluidos não-newtonianos; Métodos de Lattice Boltzmann; Dinâmica da partícula; Fluidos newtonianos; Métodos de simulação; Viscoelasticidade; Fluidos de perfuração; Non-Newtonian fluids; Lattice Boltzmann methods; Dynamics of a particle; Newtonian fluids; Simulation methods; Viscoelasticity; Drilling fluids; Engenharia Mecânica

A sedimentação de múltiplas partículas em fluidos não newtonianos tem grande relevância industrial. Durante a operação de perfuração na exploração de óleo e gás, cascalhos necessitam ser retirados do poço. Para a tarefa é utilizado fluidos de perfuração que carregam os cascalhos para a superfície. Os fluidos de perfuração têm certas propriedades, que no evento de parada, são capazes de reduzir a velocidade no qual os cascalhos sedimentam e consequentemente reduzir a taxa que acumulam no fundo do poço. A capacidade do fluido aumentar sua viscosidade e tensão limite de escoamento é associada com a tixotropia, propriedade dependente do tempo que aumenta o nível de estruturação das partículas presentes no fluido. O problema estudado consiste da sedimentação de esferas soltas em repouso em fluido inicialmente desestruturado, que ao longo do tempo reestrutura-se e aumenta sua tensão de escoamento. Portanto ter uma forma confiável de investigar os efeitos das propriedades do fluido na sedimentação é importante. Para atingir o objetivo, foi proposto modelo numérico baseado no metodo de lattice Boltzmann acoplado com metodo da fronteira imersa, com implementação em linguagem CUDA®/C++. O efeito tixo-viscoplástico foi implementado utilizando uma segunda função de distribuição de partículas, sendo responsável pelo transporte do parâmetro estrutural no escoamento. A dinâmica das partículas possuem seis graus de liberdade, enquanto que para colisão foi utilizado o modelo de esfera macia. O código numérico então foi verificado em etapas para aferir cada componente do método, considerados satisfatórios e permitiram a continuidade do estudo da sedimentação em fluido tixo-viscoplástico. A primeira parte do estudo compreendeu avaliar o comportamento das partículas que sedimentam em função do números de Bingham e do parâmetro estrutural computando a quebra e reconstrução. Os dados para velocidade terminal permitiram propor correlação numérica em função dos parâmetros variados. Na segunda parte foi avaliado o efeito que a propriedades do fluido tem na interação entre duas partículas. Os resultados mostraram que existem diferentes regimes de interação entre as partículas, onde para alguns casos o processo de “aproximação-colisão-tombamento” não ocorre, enquanto em outros casos as partículas continuaram a sedimentar em condições que não ocorreram com uma única.