Escoamentos em meios porosos: uma análise teórica e experimental dos efeitos dos esforços capilares provocados por percolação de água em elementos de alvenaria

Pós-graduação em Engenharia Mecânica - FEG

Remoção fotocatalítica de micropoluentes em meios porosos funcionalizados

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Civil

Efeitos de polímeros hidrorretentores nas propriedades físico-hídricas de dois meios porosos

Com o propósito de avaliar os efeitos de polímeros hidrorretentores nas propriedades físicas e hidráulicas de dois meios porosos, realizou-se um experimento no Laboratório de Física do Solo da Universidade Federal do Paraná, entre 18/03 e 30/10/97. O polímero hidrorretentor usado foi produzido na Bélgica e os meios porosos foram um Latossolo Vermelho textura argilosa e uma Areia Quartzosa Marinha, ambos na forma de TFSA. Os polímeros foram aplicados na forma de grãos passados em peneira de 0,5 e 1 mm de diâmetro, nas seguintes concentrações: 0, 2, 4, 8, 16 e 32 kg m-3. Foram elaboradas as curvas de retenção a baixas tensões (0; 0,025; 0,045; 0,10; 0,20; 0,60; 1,5 e 3,0 mH2O), medidas as condutividades hidráulicas saturadas e estimados os diâmetros médios de poros. O processo da evaporação de água do solo foi simulado por modelagem numérica. As curvas de retenção de água medidas e os perfis de umidade simulados da evaporação afastaram-se consideravelmente da origem (testemunhas) pela adição de polímeros, particularmente na Areia Quartzosa Marinha. O diâmetro médio de poros também aumentou progressivamente com o aumento da concentração de polímeros. Foi verificado que, nas concentrações de polímeros acima de 8 kg m-3, as propriedades físico-hídricas dos meios porosos foram dominadas pela ação dos polímeros hidrorretentores.

Modelagem analítica e experimental da filtração em meios porosos

Deep bed filtration occurs in several industrial and environmental processes like water filtration and soil contamination. In petroleum industry, deep bed filtration occurs near to injection wells during water injection, causing injectivity reduction. It also takes place during well drilling, sand production control, produced water disposal in aquifers, etc. The particle capture in porous media can be caused by different physical mechanisms (size exclusion, electrical forces, bridging, gravity, etc). A statistical model for filtration in porous media is proposed and analytical solutions for suspended and retained particles are derived. The model, which incorporates particle retention probability, is compared with the classical deep bed filtration model allowing a physical interpretation of the filtration coefficients. Comparison of the obtained analytical solutions for the proposed model with the classical model solutions allows concluding that the larger the particle capture probability, the larger the discrepancy between the proposed and the classical models

Simulação de fluxo de fluidos em meios porosos desordenados uma análise de efeito de escala na estimativa da permeabilidade e do coeficiente de arrasto

The present study provides a methodology that gives a predictive character the computer simulations based on detailed models of the geometry of a porous medium. We using the software FLUENT to investigate the flow of a viscous Newtonian fluid through a random fractal medium which simplifies a two-dimensional disordered porous medium representing a petroleum reservoir. This fractal model is formed by obstacles of various sizes, whose size distribution function follows a power law where exponent is defined as the fractal dimension of fractionation Dff of the model characterizing the process of fragmentation these obstacles. They are randomly disposed in a rectangular channel. The modeling process incorporates modern concepts, scaling laws, to analyze the influence of heterogeneity found in the fields of the porosity and of the permeability in such a way as to characterize the medium in terms of their fractal properties. This procedure allows numerically analyze the measurements of permeability k and the drag coefficient Cd proposed relationships, like power law, for these properties on various modeling schemes. The purpose of this research is to study the variability provided by these heterogeneities where the velocity field and other details of viscous fluid dynamics are obtained by solving numerically the continuity and Navier-Stokes equations at pore level and observe how the fractal dimension of fractionation of the model can affect their hydrodynamic properties. This study were considered two classes of models, models with constant porosity, MPC, and models with varying porosity, MPV. The results have allowed us to find numerical relationship between the permeability, drag coefficient and the fractal dimension of fractionation of the medium. Based on these numerical results we have proposed scaling relations and algebraic expressions involving the relevant parameters of the phenomenon. In this study analytical equations were determined for Dff depending on the geometrical parameters of the models. We also found a relation between the permeability and the drag coefficient which is inversely proportional to one another. As for the difference in behavior it is most striking in the classes of models MPV. That is, the fact that the porosity vary in these models is an additional factor that plays a significant role in flow analysis. Finally, the results proved satisfactory and consistent, which demonstrates the effectiveness of the referred methodology for all applications analyzed in this study.

Modelagem Matemática e Computacional de fenômenos eletrocinéticos em meios porosos carregados eletricamente

In this work we present a mathematical and computational modeling of electrokinetic phenomena in electrically charged porous medium. We consider the porous medium composed of three different scales (nanoscopic, microscopic and macroscopic). On the microscopic scale the domain is composed by a porous matrix and a solid phase. The pores are filled with an aqueous phase consisting of ionic solutes fully diluted, and the solid matrix consists of electrically charged particles. Initially we present the mathematical model that governs the electrical double layer in order to quantify the electric potential, electric charge density, ion adsorption and chemical adsorption in nanoscopic scale. Then, we derive the microscopic model, where the adsorption of ions due to the electric double layer and the reactions of protonation/ deprotanaç~ao and zeta potential obtained in modeling nanoscopic arise in microscopic scale through interface conditions in the problem of Stokes and Nerst-Planck equations respectively governing the movement of the aqueous solution and transport of ions. We developed the process of upscaling the problem nano/microscopic using the homogenization technique of periodic structures by deducing the macroscopic model with their respectives cell problems for effective parameters of the macroscopic equations. Considering a clayey porous medium consisting of kaolinite clay plates distributed parallel, we rewrite the macroscopic model in a one-dimensional version. Finally, using a sequential algorithm, we discretize the macroscopic model via the finite element method, along with the interactive method of Picard for the nonlinear terms. Numerical simulations on transient regime with variable pH in one-dimensional case are obtained, aiming computational modeling of the electroremediation process of clay soils contaminated

Aplicação da técnica de elementos finitos na estratificação de armazenadores térmicos com barreiras de meios porosos

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Solução híbrida da equação de advecção-dispersão em meios porosos

Este trabalho consiste na solução híbrida da Equação de Advecção-dispersão de solutos unidimensional em meios porosos homogêneos ou heterogêneos, para um único componente, com coeficientes de retardo, dispersão, velocidade média, decaimento e produção dependentes da distância percorrida pelo soluto. Serão estudados os casos de dispersão-advecção em que o retardamento, dispersão, velocidade do fluxo, decaimento e produção variem de forma linear enquanto a dispersividade assuma os modelos linear, parabólico ou exponencial. Para a solução da equação foi aplicada a Técnica da Transformada Integral Generalizada. Os resultados obtidos nesta dissertação demonstram boa concordância entre os problemas-exemplo e suas soluções numéricas ou analíticas contidas na literatura e apontam uma melhor adequação no uso de modelos parabólico no estudo da advecção-dispersão em curto intervalo de tempo, enquanto que o modelo linear converge mais rapidamente em tempos prolongados de simulação. A convergência da série mostrou-se ter dependência direta quanto ao comprimento do domínio, ao modelo de dispersão e da dispersividade adotada, convergindo com até 60 termos, podendo chegar a NT = 170, para os casos heterogêneos, utilizando o modelo de dispersão exponencial, respeitando o critério adotado de 10^-4.

Modelagem multiescala de fenômenos eletrocinéticos em meios porosos carregados eletricamente: aplicação a meios porosos argilosos

In this master thesis, we propose a multiscale mathematical and computational model for electrokinetic phenomena in porous media electrically charged. We consider a porous medium rigid and incompressible saturated by an electrolyte solution containing four monovalent ionic solutes completely diluted in the aqueous solvent. Initially we developed the modeling electrical double layer how objective to compute the electrical potential, surface density of electrical charges and considering two chemical reactions, we propose a 2-pK model for calculating the chemical adsorption occurring in the domain of electrical double layer. Having the nanoscopic model, we deduce a model in the microscale, where the electrochemical adsorption of ions, protonation/ deprotonation reactions and zeta potential obtained in the nanoscale, are incorporated through the conditions of interface uid/solid of the Stokes problem and transportation of ions, modeled by equations of Nernst-Planck. Using the homogenization technique of periodic structures, we develop a model in macroscopic scale with respective cells problems for the e ective macroscopic parameters of equations. Finally, we propose several numerical simulations of the multiscale model for uid ow and transport of reactive ionic solute in a saturated aqueous solution of kaolinite. Using nanoscopic model we propose some numerical simulations of electrochemical adsorption phenomena in the electrical double layer. Making use of the nite element method discretize the macroscopic model and propose some numerical simulations in basic and acid system aiming to quantify the transport of ionic solutes in porous media electrically charged.

Modelagem multiescala de fenômenos eletrocinéticos em meios porosos carregados eletricamente: aplicação a meios porosos argilosos

In this master thesis, we propose a multiscale mathematical and computational model for electrokinetic phenomena in porous media electrically charged. We consider a porous medium rigid and incompressible saturated by an electrolyte solution containing four monovalent ionic solutes completely diluted in the aqueous solvent. Initially we developed the modeling electrical double layer how objective to compute the electrical potential, surface density of electrical charges and considering two chemical reactions, we propose a 2-pK model for calculating the chemical adsorption occurring in the domain of electrical double layer. Having the nanoscopic model, we deduce a model in the microscale, where the electrochemical adsorption of ions, protonation/ deprotonation reactions and zeta potential obtained in the nanoscale, are incorporated through the conditions of interface uid/solid of the Stokes problem and transportation of ions, modeled by equations of Nernst-Planck. Using the homogenization technique of periodic structures, we develop a model in macroscopic scale with respective cells problems for the e ective macroscopic parameters of equations. Finally, we propose several numerical simulations of the multiscale model for uid ow and transport of reactive ionic solute in a saturated aqueous solution of kaolinite. Using nanoscopic model we propose some numerical simulations of electrochemical adsorption phenomena in the electrical double layer. Making use of the nite element method discretize the macroscopic model and propose some numerical simulations in basic and acid system aiming to quantify the transport of ionic solutes in porous media electrically charged.

Modelagem analítica e experimental da filtração em meios porosos

Deep bed filtration occurs in several industrial and environmental processes like water filtration and soil contamination. In petroleum industry, deep bed filtration occurs near to injection wells during water injection, causing injectivity reduction. It also takes place during well drilling, sand production control, produced water disposal in aquifers, etc. The particle capture in porous media can be caused by different physical mechanisms (size exclusion, electrical forces, bridging, gravity, etc). A statistical model for filtration in porous media is proposed and analytical solutions for suspended and retained particles are derived. The model, which incorporates particle retention probability, is compared with the classical deep bed filtration model allowing a physical interpretation of the filtration coefficients. Comparison of the obtained analytical solutions for the proposed model with the classical model solutions allows concluding that the larger the particle capture probability, the larger the discrepancy between the proposed and the classical models

Simulação de fluxo de fluidos em meios porosos desordenados uma análise de efeito de escala na estimativa da permeabilidade e do coeficiente de arrasto

The present study provides a methodology that gives a predictive character the computer simulations based on detailed models of the geometry of a porous medium. We using the software FLUENT to investigate the flow of a viscous Newtonian fluid through a random fractal medium which simplifies a two-dimensional disordered porous medium representing a petroleum reservoir. This fractal model is formed by obstacles of various sizes, whose size distribution function follows a power law where exponent is defined as the fractal dimension of fractionation Dff of the model characterizing the process of fragmentation these obstacles. They are randomly disposed in a rectangular channel. The modeling process incorporates modern concepts, scaling laws, to analyze the influence of heterogeneity found in the fields of the porosity and of the permeability in such a way as to characterize the medium in terms of their fractal properties. This procedure allows numerically analyze the measurements of permeability k and the drag coefficient Cd proposed relationships, like power law, for these properties on various modeling schemes. The purpose of this research is to study the variability provided by these heterogeneities where the velocity field and other details of viscous fluid dynamics are obtained by solving numerically the continuity and Navier-Stokes equations at pore level and observe how the fractal dimension of fractionation of the model can affect their hydrodynamic properties. This study were considered two classes of models, models with constant porosity, MPC, and models with varying porosity, MPV. The results have allowed us to find numerical relationship between the permeability, drag coefficient and the fractal dimension of fractionation of the medium. Based on these numerical results we have proposed scaling relations and algebraic expressions involving the relevant parameters of the phenomenon. In this study analytical equations were determined for Dff depending on the geometrical parameters of the models. We also found a relation between the permeability and the drag coefficient which is inversely proportional to one another. As for the difference in behavior it is most striking in the classes of models MPV. That is, the fact that the porosity vary in these models is an additional factor that plays a significant role in flow analysis. Finally, the results proved satisfactory and consistent, which demonstrates the effectiveness of the referred methodology for all applications analyzed in this study.

Simulação numérica da transferência simultânea de energia e umidade através do solo em um sistema trocador-armazenador de calor

O presente trabalho pesquisa o fenômeno da transferência simultânea de calor e umidade em solos insaturados que envolvem dutos enterrados. Estes dutos e o solo envolvente compõem o chamado sistema trocador-armazenador de calor no solo, que é muitas vezes utilizado como fonte complementar de aquecimento em estufas solares agrícolas. O funcionamento do sistema trocador-armazenador de calor é baseado na energia armazenada no solo durante os horários de máxima insolação, sendo que durante a noite parte desta energia é recuperada. Durante o dia o ar quente do meio interno da estufa solar é bombeado para dentro do feixe de tubos enterrados, que devolvem o ar mais frio na outra extremidade. Por outro lado, durante a noite o ar mais frio do meio interno da estufa é bombeado para dentro dos dutos, os quais efetuam troca térmica com o solo envolvente, que neste horário possui a temperatura mais elevada do sistema. O objetivo geral deste trabalho é resolver o problema transiente periódico e tridimensional da transferência simultânea de calor e umidade em solos não-saturados, que compõem o sistema trocador-armazenador de calor, utilizando a simulação numérica. Como objetivos secundários têm-se: o melhoramento do sistema de troca térmica, a quantificação da parcela de calor transportado pela difusão da umidade no solo e a análise dos campos de temperatura e de conteúdo de umidade, sendo que a análise dos campos de umidade permite verificar se existe formação de frentes de secagem significativas na vizinhança dos dutos durante os sucessivos períodos de aquecimento e resfriamento a que o sistema é submetido. Na resolução do problema em questão é empregado o modelo clássico de Philip e De Vries para a transferência simultânea de calor e massa em meios porosos insaturados Neste modelo, as equações de conservação de energia e massa obtidas trazem explicitamente as influências combinadas dos gradientes de temperatura e de conteúdo de umidade nos processos de transporte de calor e umidade. O sistema de equações diferenciais governantes do problema em questão é resolvido numericamente utilizando o Método dos Volumes Finitos e na discretização destas equações é usada uma integração temporal totalmente implícita. Todas as propriedades difusivas e termofísicas empregadas são consideradas variáveis com a temperatura e o conteúdo de umidade. Os dutos de seção transversal circular do sistema trocadorarmazenador de calor no solo, são modelados como dutos de seção transversal quadrada de área equivalente para que coordenadas cartesianas possam ser utilizadas nos modelos analisados. Neste trabalho são simulados quatro modelos computacionais associados ao sistema trocador-armazenador de calor no solo. Estes modelos são compostos por: um duto isolado, um duto com convecção, dois dutos isolados e dois dutos com convecção. A variação da temperatura do ar na entrada do(s) escoamento(s), assim como a temperatura do meio ambiente, para os modelos com convecção, é dada por uma senóide com uma amplitude de 14 ºC. No modelo de um duto isolado, são realizadas simulações utilizando várias combinações dos parâmetros do modelo em questão e os resultados, assim obtidos, são comparados com aqueles encontrados na literatura Visando melhorar o sistema de troca térmica dos modelos computacionais investigados, são selecionados valores e intervalos de valores recomendados para os parâmetros do modelo de um duto isolado. Para este modelo, com um diâmetro de 0,1 m, são escolhidos valores (ou intervalos de valores) recomendados: de 4 m/s para a velocidade do escoamento interno dentro do duto, de 0,25 para o conteúdo de umidade do solo, de 5 até 20 metros para o comprimento do duto e de 0,20 até 0,30 m para a distância entre centros do dutos. As simulações dos quatro modelos computacionais realizadas utilizando as várias combinações dos valores recomendados para os parâmetros destes modelos, mostrou que não há diferença significativa entre os valores de calor volumétrico armazenado no solo empregando a resolução acoplada das equações de energia e de massa e a resolução da equação da temperatura. Mesmo para os modelos de um e de dois dutos com convecção a diferença percentual encontrada foi insignificante. Finalmente, são apresentados e analisados os campos de temperatura e de conteúdo de umidade para os quatro modelos computacionais avaliados. Os perfis de temperatura e de conteúdo de umidade em diferentes horários mostraram que, durante o dia, o solo absorve calor dos escoamentos internos de ar e, uma vez que, junto à superfície dos dutos tem-se regiões de maior temperatura, há, conseqüentemente, uma migração da umidade nestas regiões. Durante a noite, ocorre o contrário, o solo fornece calor aos escoamentos dentro dos dutos, e, desta forma, as regiões próximas aos dutos apresentam níveis de conteúdo de umidade superiores ao inicial. Ainda, os perfis de conteúdo de umidade para todas as situações analisadas mostraram que, não há formação de frentes de secagem significativas nas proximidades dos dutos que compõem os quatro modelos computacionais avaliados.

Filtros de areia aplicados à irrigação localizada: teoria e prática

The application of sand filters in localized irrigation systems is recommended in the presence of organic and algae contamination. The proper design and maintenance of these equipments are essential to assure an effective water quality control, in order to reduce the emitters clogging, to keep its water application uniformity, and to prevent increasing in the system operation costs. Despite the existence of some references about design, operation and maintenance of these filters, they are dispersed, with not enough details to guarantee the optimization of its hydraulics structure design and the proper selection of porous media to be used. Therefore, the objective of this work was to report a current literature review, relating practical information with scientific knowledge. The content of this review would help to induce and intensify the research on this subject and to contribute so the operational functions for the equipment are reached. It is also expected to assist the improvement of the filtration and flushing processes in the agricultural irrigation and the development of original design procedures and the rational use of these devices.

Modelação numérica do galgamento de quebra-mares de talude

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Civil – Perfil de Estruturas