Simulação computacional da interação fluido-estrutura em bombas de cavidades progressivas

The pumping through progressing cavities system has been more and more employed in the petroleum industry. This occurs because of its capacity of elevation of highly viscous oils or fluids with great concentration of sand or other solid particles. A Progressing Cavity Pump (PCP) consists, basically, of a rotor - a metallic device similar to an eccentric screw, and a stator - a steel tube internally covered by a double helix, which may be rigid or deformable/elastomeric. In general, it is submitted to a combination of well pressure with the pressure generated by the pumping process itself. In elastomeric PCPs, this combined effort compresses the stator and generates, or enlarges, the clearance existing between the rotor and the stator, thus reducing the closing effect between their cavities. Such opening of the sealing region produces what is known as fluid slip or slippage, reducing the efficiency of the PCP pumping system. Therefore, this research aims to develop a transient three-dimensional computational model that, based on single-lobe PCP kinematics, is able to simulate the fluid-structure interaction that occurs in the interior of metallic and elastomeric PCPs. The main goal is to evaluate the dynamic characteristics of PCP s efficiency based on detailed and instantaneous information of velocity, pressure and deformation fields in their interior. To reach these goals (development and use of the model), it was also necessary the development of a methodology for generation of dynamic, mobile and deformable, computational meshes representing fluid and structural regions of a PCP. This additional intermediary step has been characterized as the biggest challenge for the elaboration and running of the computational model due to the complex kinematic and critical geometry of this type of pump (different helix angles between rotor and stator as well as large length scale aspect ratios). The processes of dynamic generation of meshes and of simultaneous evaluation of the deformations suffered by the elastomer are fulfilled through subroutines written in Fortan 90 language that dynamically interact with the CFX/ANSYS fluid dynamic software. Since a structural elastic linear model is employed to evaluate elastomer deformations, it is not necessary to use any CAE package for structural analysis. However, an initial proposal for dynamic simulation using hyperelastic models through ANSYS software is also presented in this research. Validation of the results produced with the present methodology (mesh generation, flow simulation in metallic PCPs and simulation of fluid-structure interaction in elastomeric PCPs) is obtained through comparison with experimental results reported by the literature. It is expected that the development and application of such a computational model may provide better details of the dynamics of the flow within metallic and elastomeric PCPs, so that better control systems may be implemented in the artificial elevation area by PCP

Simulação computacional do comportamento de estruturas de aço sob incêndio

A análise do comportamento estrutural sob incêndio constitui uma parte importante da engenharia de proteção contra incêndio, especialmente no caso de estruturas de aço, por sua alta condutividade térmica e relativa esbeltez das seções. As dificuldades econômicas e práticas, associadas à avaliação do comportamento estrutural, por meio de ensaios em escala real, têm estimulado o desenvolvimento e uso de métodos de simulação numérica. Esta tese trata da simulação numérica do comportamento de estruturas de aço sob condições de incêndio e se divide em três partes. As duas primeiras partes foram desenvolvidas na Universidade de Liége, na Bélgica, usando-se o programa SAFIR como ferramenta numérica. A terceira parte foi desenvolvida de forma independente, na Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Na primeira parte, é feito um estudo comparativo entre o uso de elementos finitos de viga e de casca, na modelagem de vigas simplesmente apoiadas, sujeitas a flambagem lateral por torção. Os esforços de torção, presentes no caso de flambagem lateral, podem levar a uma plastificação da seção transversal e à conseqüente redução da rigidez à torção da seção. Da mesma forma, a degradação das propriedades do material, com o aumento da temperatura, leva à redução da rigidez à torção Havia dúvidas se o modelo com elementos de viga, com uma rigidez à torção constante, poderia fornecer uma resposta aceitável. O estudo mostrou que uma resposta com boa precisão pode ser conseguida, usando-se elementos de viga, desde que o módulo de elasticidade transversal seja ajustado para refletir seu valor correspondente à temperatura de falha. Isso implica um processo iterativo, uma vez que a temperatura de falha não é previamente conhecida. Por outro lado, a degradação da rigidez à torção, por efeitos de plastificação, pode ser ignorada. Na segunda parte, é feita a comparação entre as modelagens bidimensional e tridimensional, de galpões industriais de um andar, sob incêndio. Comumente, a estrutura de galpões industriais é composta por pórticos-tipo, dispostos em paralelo. A análise desses galpões é comumente feita pela simulação no plano do pórtico de aço ou, simplesmente, da treliça da cobertura Na análise bidimensional, importantes efeitos fora do plano são ignorados, como a redistribuição de esforços devido à degradação do material ou à expansão térmica, ou instabilidade lateral dos elementos. A importância desses efeitos e a adequabilidade do modelo 2D para representar o comportamento real são discutidas. Na terceira parte, um modelo numérico para a simulação tridimensional do comportamento de estruturas de aço sob incêndio é apresentado. O modelo é baseado no conceito de rótulas plásticas generalizadas, com modificações para melhor representar a formação e expansão da plastificação no elemento. A descrição cinemática adotada permite obter bons resultados, mesmo com o uso de poucos elementos. A determinação do vetor de esforços internos no elemento, incluindo os efeitos da temperatura, é detalhada. O procedimento foi validado por comparação com ensaios e com modelos numéricos mais sofisticados, como o programa SAFIR. Os resultados demonstram que o procedimento proposto pode ser usado como uma forma alternativa de análise 3D de estruturas sob incêndio, com precisão razoável e baixo esforço computacional.

Simulação computacional do escoamento em bombas de cavidades progressivas

The use of Progressing Cavity Pumps (PCPs) in artificial lift applications in low deep wells is becoming more common in the oil industry, mainly, due to its ability to pump heavy oils, produce oil with large concentrations of sand, besides present high efficiency when compared to other artificial lift methods. Although this system has been widely used as an oil lift method, few investigations about its hydrodynamic behavior are presented, either experimental or numeric. Therefore, in order to increase the knowledge about the BCP operational behavior, this work presents a novel computational model for the 3-D transient flow in progressing cavity pumps, which includes the relative motion between rotor and stator, using an element based finite volume method. The model developed is able to accurately predict the volumetric efficiency and viscous looses as well as to provide detailed information of pressure and velocity fields inside the pump. In order to predict PCP performance for low viscosity fluids, advanced turbulence models were used to treat, accurately, the turbulent effects on the flow, which allowed for obtaining results consistent with experimental values encountered in literature. In addition to the 3D computational model, a simplified model was developed, based on mass balance within cavities and on simplification on the momentum equations for fully developed flow along the seal region between cavities. This simplified model, based on previous approaches encountered in literature, has the ability to predict flow rate for a given differential pressure, presenting exactness and low CPU requirements, becoming an engineering tool for quick calculations and providing adequate results, almost real-time time. The results presented in this work consider a rigid stator PCP and the models developed were validated against experimental results from open literature. The results for the 3-D model showed to be sensitive to the mesh size, such that a numerical mesh refinement study is also presented. Regarding to the simplified model, some improvements were introduced in the calculation of the friction factor, allowing the application fo the model for low viscosity fluids, which was unsuccessful in models using similar approaches, presented in previous works

Propriedades dinâmicas de fluidos por simulação computacional: métodos híbridos atomístico-contínuo

Computational methods for the calculation of dynamical properties of fluids might consider the system as a continuum or as an assembly of molecules. Molecular dynamics (MD) simulation includes molecular resolution, whereas computational fluid dynamics (CFD) considers the fluid as a continuum. This work provides a review of hybrid methods MD/CFD recently proposed in the literature. Theoretical foundations, basic approaches of computational methods, and dynamical properties typically calculated by MD and CFD are first presented in order to appreciate the similarities and differences between these two methods. Then, methods for coupling MD and CFD, and applications of hybrid simulations MD/CFD, are presented.

Da modelação matemática à simulação computacional: a experimentação matemática no ensino

Tese de Doutoramento em Ciências (área de especialização em Matemática).

Da modelação matemática à simulação computacional: a experimentação matemática no ensino

Tese de Doutoramento em Ciências (área de especialização em Matemática).

Simulação computacional aplicada ao desenvolvimento de embalagens para bananas

Este trabalho propõe um método de projeto de embalagem para produtos hortícolas, buscando uma otimização integrada dos aspectos geométricos, estruturais e térmicos, ligados à facilitação do resfriamento e armazenamento refrigerado. Para o dimensionamento e otimização estrutural, foi utilizado o Método dos Elementos Finitos implementado pelo programa ANSYS, obtendo-se oito modelos virtuais de embalagens, com 10% e 14% de área efetiva de aberturas e geometria quadrada, retangular e circular. Para o desenvolvimento dos experimentos, que avaliaram a relação da área de aberturas com o tempo de sete-oitavos de resfriamento, foram construídos protótipos de tábuas de madeira (Pinnus elliotti) de reflorestamento. Nas embalagens, foram acondicionados aproximadamente 13 kg de banana variedade Nanica (Musa cavendishii, cultivar nanica), resfriada num túnel de ar forçado (vazão de ar de 0,32 m³ s-1, temperatura de 8,0±1,2ºC e umidade relativa de 84,5±2,6%). O tempo de resfriamento também foi comparado com aquele obtido quando a mesma quantidade de frutas foi resfriada em embalagens de papelão (2,5% de área efetiva de abertura) e madeira (18% de área efetiva de abertura). Os resultados demonstraram que, entre os protótipos propostos, não houve diferença significativa no tempo de resfriamento dos frutos acondicionados nas embalagens desenvolvidas, sendo o tempo médio de resfriamento de 40,71±2,81 min. Na comparação com as embalagens de papelão e madeira, houve diferenças significativas, sendo que as embalagens comerciais tiveram tempos de resfriamento de 1,25 e 2 vezes maiores. Concluiu-se que a simulação estrutural computacional, aliada a algoritmos de otimização, além de procedimentos experimentais ligados à cadeia do frio, são recursos promissores no auxílio de projetos para embalagens de transporte de produtos hortícolas.

Simulação computacional de um feixe de fótons de 6 MV em diferentes meios heterogêneos utilizando o código PENELOPE

OBJETIVO: Utilizar o código PENELOPE e desenvolver geometrias onde estão presentes heterogeneidades para simular o comportamento do feixe de fótons nessas condições. MATERIAIS E MÉTODOS: Foram feitas simulações do comportamento da radiação ionizante para o caso homogêneo, apenas água, e para os casos heterogêneos, com diferentes materiais. Consideraram-se geometrias cúbicas para os fantomas e geometrias em forma de paralelepípedos para as heterogeneidades com a seguinte composição: tecido simulador de osso e pulmão, seguindo recomendações da International Commission on Radiological Protection, e titânio, alumínio e prata. Definiram-se, como parâmetros de entrada: a energia e o tipo de partícula da fonte, 6 MV de fótons; a distância fonte-superfície de 100 cm; e o campo de radiação de 10x 10 cm². RESULTADOS: Obtiveram-se curvas de percentual de dose em profundidade para todos os casos. Observou-se que em materiais com densidade eletrônica alta, como a prata, a dose absorvida é maior em relação à dose absorvida no fantoma homogêneo, enquanto no tecido simulador de pulmão a dose é menor. CONCLUSÃO: Os resultados obtidos demonstram a importância de se considerar heterogeneidades nos algoritmos dos sistemas de planejamento usados no cálculo da distribuição de dose nos pacientes, evitando-se sub ou superdosagem dos tecidos próximos às heterogeneidades.

Estudo da geometria da uréia por métodos ab initio e simulação computacional de líquidos

A study was carried out on the urea geometries using ab initio calculation and Monte Carlo computational simulation of liquids. The ab initio calculated results showed that urea has a non-planar conformation in the gas phase in which the hydrogen atoms are out of the plane formed by the heavy atoms. Free energies associated to the rotation of the amino groups of urea in water were obtained using the Monte Carlo method in which the thermodynamic perturbation theory is implemented. The magnitude of the free energy obtained from this simulation did not permit us to conclude that urea is non-planar in water.

Avaliação de contaminação ambiental causada por poluentes orgânicos persistentes utilizando simulação computacional

Environmental concern is growing in the current days and there is global agreement to banish production and use of persistent organic pollutants (POP). The synthetic insecticides chlordecone and mirex, classified as POPs, have similar structures and they are potentially toxic. This work uses properties and physicochemical constants related to the pesticides and computational simulation to evaluate the leach phenomenon and persistency in soil. The largest tendency of persistence of the compound is found to be in the surface of soil, but even low concentration in water represents a high risk due to bioaccumulation in adipose tissue.

Avaliação do destino e bioacumulação de benzo(a)pireno através de simulação computacional

The objective of this work was to evaluate the environmental distribution of benzo(a)pirene, a polycyclic aromatic hydrocarbon, by the EQC model. The modeling of the contaminant distribution was accomplished by means of the fugacity model applied to a hypothetical scenario constituted by air, water, soil and sediment. The modeling and simulations revealed that the soil is the preferential compartment. We also discuss the implications of the results about fate and ecological risks associated with benzo(a)pirene. We concluded that the emissions of HPAs can not be ignored and bioaccumulation among others risks can be induced.

Modelagem da combustão da dinitramida de amônio por simulação computacional

In this work, the combustion process of ammonium dinitramide, ADN, has been modeled in two different situations: decomposition in open environment, with abundant air and decomposition in a rocket motor internal environmental conditions. The profiles of the two processes were achieved, based on molar fractions of the species that compose the products of ADN combustion. The velocity of formation and quantity of species in the open environment was bigger than the ones in the rocket motor environment, showing the effect of the different atmosphere in the reactions kinetics.

Propriedades dinâmicas de fluidos por simulação computacional: métodos híbridos atomístico-contínuo

Computational methods for the calculation of dynamical properties of fluids might consider the system as a continuum or as an assembly of molecules. Molecular dynamics (MD) simulation includes molecular resolution, whereas computational fluid dynamics (CFD) considers the fluid as a continuum. This work provides a review of hybrid methods MD/CFD recently proposed in the literature. Theoretical foundations, basic approaches of computational methods, and dynamical properties typically calculated by MD and CFD are first presented in order to appreciate the similarities and differences between these two methods. Then, methods for coupling MD and CFD, and applications of hybrid simulations MD/CFD, are presented.

Análise das potencialidades do uso da ferramenta de simulação computacional em operações logísticas : estudo de caso em armazém geral

Esta dissertação analisa potencialidades de uso da ferramenta de simulação computacional em atividades de um Armazém Geral. Para tanto, foi realizado um estudo de caso em um Armazém Geral onde se aplicou a ferramenta segundo o método de desenvolvimento de projetos de simulação computacional proposto por Barrônio (2000). O desenvolvimento do projeto de simulação foi, então, focado na atividade de apanha separação, integrante do sub-processo de separação de pedidos. O substrato teórico utilizado envolve uma abordagem sobre a logística e caracterização de armazém geral, bem como uma revisão dos conceitos principais da ferramenta de simulação computacional. No desenvolvimento da pesquisa, identificaram-se diversas aplicações da simulação tanto no armazém geral e terminais de cargas da empresa, quanto na análise da malha de rotas da empresa. A partir da análise dos resultados da simulação, em diversos cenários desenvolvidos e do entendimento sistêmico da situação em estudo, identificou-se como oportunidade de melhoria a definição de horários fixos de parada para descanso ao longo da jornada de trabalho na atividade de apanha separação O desenvolvimento do projeto de simulação computacional contribuiu como instrumento de aprendizagem e tomada de decisões sobre a realidade organizacional. Através de experimentação no modelo computacional o grupo de trabalho pôde testar e mudar seus pressupostos e sua compreensão do mundo real, aprimorando a aprendizagem. Identificou-se ainda, que os armazéns gerais dotados de sistema de gerenciamento automatizado apresentam um grande potencial para desenvolvimento de projetos de simulação, principalmente, devido à disponibilidade de dados característicos destas organizações.

O uso da simulação computacional como ferramenta de análise : um estudo de caso em empresa de câmaras de bronzeamento

A concorrência nos mercados locais e internacionais tem levado as empresas a tomarem-se cada vez mais competitivas e atentas as mud3nças no mercado, possibilitando-Ihes melhorias em seus processos produtivos. Este trabalho apresenta a modelagem e análise de melhorias no processo produtivo de uma empresa de montagem de câmaras de bronzeamento. A simulação computacional foi utilizada como ferramenta de análise das possíveis oportunidades de melhorias a serem introduzidas no processo produtivo. O processo original foi modelado com o objetivo de identificar e caracterizar a distribuição de tempos e utilização dos equipamentos e rerorsos presentes no processo produtivo da empresa. Diferentes propostas de melhorias foram investigadas e uma nova modelagem do processo foi sugerida, considerando exigências do mercado e características do processo produtivo empresarial. Comparações matemáticas entre os resultados foram elaboradas e as conclusões sobre o estudo são apresentadas ao final do trabalho. Os resultados da simulação estão sendo usados para avaliar possíveis alterações no processo produtivo da empresa, bem como para gerar documentos que registram conhecimento corporativo sobre possíveis arranjos na produção.