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http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/24690| Título: | A numerical study of two-particle settling in a thixotropic fluid using the immersed Boundary–Lattice Boltzmann method |
| Título(s) alternativo(s): | Estudo numérico da sedimentação de duas partículas em fluido tixotrópico utilizando o método de Lattice Boltzmann e fronteira imersa |
| Autor(es): | Ferrari, Marco Aurelio |
| Orientador(es): | Franco, Admilson Teixeira |
| Palavras-chave: | 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 |
| Data do documento: | 5-Fev-2021 |
| Editor: | Universidade Tecnológica Federal do Paraná |
| Câmpus: | Curitiba |
| Citação: | FERRARI, Marco Aurelio. Estudo numérico da sedimentação de duas partículas em fluido tixotrópico utilizando o método de Lattice Boltzmann e fronteira imersa. 2021. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica e de Materiais) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2021. |
| Resumo: | 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. |
| Abstract: | The settling of multiple particles in non-Newtonian fluids has great industrial importance. During the drilling operation in the oil and gas exploration, cuttings need to be removed from the borehole. The task is accomplished by a drilling fluid is used to transport these cuttings to the surface. The drilling fluid may have certain properties, that in the event of pumping stop, are capable of reducing the cuttings settling velocity and consequently reduce the build-up rate at the bottom of the borehole. The fluid’s ability to increase its viscosity and yield-stress is associated with thixotropy, a time-dependent property caused by the increasing structuring level of the particle present in the fluid. The studied problem then consists of spheres settling released from rest in an initially unstructured fluid which will be structured over time and increase its yield stress. Therefore have a reliable form to study the effects of fluid properties in this problem is important. The objetive is achieved by using a numerical model based on the lattice Boltzmann method coupled with the immersed boundary method, with its implementation in CUDA®/C++. The thixo-viscoplastic effect was implemented with the use of secondary particle distribution function, which was responsible for transporting the structural parameter in the flow. The particle dynamics had a six degree of freedom and the collision model used a soft-sphere approach. The numerical code was then verified in steps to assess each component of the numerical method. The results were considered satisfactory and allowed to proceed with the study of particles settling in a thixo-viscoplastic fluid. The first part of the study included evaluating of the settling behavior of a single sphere as a function of the Bingham numbers, breakdown, and build-up parameters. The data for terminal velocity then allowed the construction of numerical correlation as a function of the studied parameters. The second part of the study encompassed studying of the effects of the fluid properties in the interaction between the two settling particles. It was found different interactions regimes between the particles, where some cases did not perform the draft-kissing-tumbling process while others the particles continued to settle in conditions where a single particle would not. |
| URI: | http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/24690 |
| Aparece nas coleções: | CT - Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica e de Materiais |
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| Arquivo | Descrição | Tamanho | Formato | |
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