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http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/34793| Título: | Uso do método de Lattice Boltzmann para solução de escoamentos com fluidos não-newtonianos |
| Título(s) alternativo(s): | The use of the Lattice Boltzmann method for solving non-newtonian fluid flows |
| Autor(es): | Ferrari, Marco Aurélio |
| Orientador(es): | Franco, Admilson Teixeira |
| Palavras-chave: | Método Lattice Boltzmann Fluidos não-newtonianos Programação paralela (Computação) Simulação (Computadores) Fluidodinâmica computacional Sedimentação e depósitos Poços de petróleo - Perfuração Viscoelasticidade Lattice Boltzmann methods Non-Newtonian fluids Parallel programming (Computer science) Computer simulation Computational fluid dynamics Sedimentation and deposition Oil well drilling Viscoelasticity |
| Data do documento: | 30-Abr-2024 |
| Editor: | Universidade Tecnológica Federal do Paraná |
| Câmpus: | Curitiba |
| Citação: | FERRARI, Marco Aurélio. Uso do método de Lattice Boltzmann para solução de escoamentos com fluidos não-newtonianos. 2024. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica e de Materiais) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2024. |
| Resumo: | O uso de métodos numéricos para resolver escoamentos de fluidos complexos é prática comum na engenharia. Problemas de particular interesse são como fluido e partículas se comportam enquanto sedimentam em poços de petróleo. Os resultados obtidos através de simulações numéricas são então reunidos e analisados. No entanto, a publicação do conhecimento adquirido é necessária para causar maior impacto tecnológico, sendo esta divulgação podendo ser através de artigos revisados por pares. Este processo garante que o método científico seja respeitado e que tenha relevância científica. Portanto, a presente tese compila quatro artigos científicos a respeito da utilização do método de lattice Boltzmann para simulações numéricas de fluidos em certos tipos de escoamentos. O método de lattice Boltzmann (LBM) é uma técnica de dinâmica de fluidos computacional (CFD) que tem ganhado popularidade significativa devido à sua capacidade de simular escoamentos complexos de fluidos em várias aplicações, incluindo aquelas encontradas em poços de petróleo. Diferente dos métodos tradicionais de CFD que resolvem diretamente as equações de Navier-Stokes, o LBM modela o fluido em uma escala mesoscópica usando funções de distribuição de partículas. Essas distribuições evoluem ao longo de passos de tempo discretos em uma lattice, tornando o método particularmente adequado para computação paralela (por exemplo em GPUs) e para lidar com condições de contorno complexas (por exemplo em meios porosos). Apesar de sua inerente simplicidade, o método de lattice Boltzmann é capaz de modelar uma ampla gama de fenômenos complexos relacionados dinâmica de fluidos, tornando-se uma ferramenta poderosa tanto para a pesquisa acadêmica quanto para aplicações industriais. O primeiro artigo trata da sedimentação de múltiplas partículas em um fluido de pseudoplástico. O estudo concentrou-se em situações em que os cascalhos, fragmentos de rocha e outros materiais gerados durante o processo de perfuração, começam a se depositar no poço após uma parada da bomba. Prever a taxa na qual esses detritos se depositam é de extrema importância devido a várias implicações a operação de perfuração e segurança do poço. No pior dos casos, previsões incorretas da taxa de sedimentação dos cascalhos podem levar ao conjunto de perfuração ficar retido, que consequentemente pode levar a um tempo significativo de inatividade e perda financeira. Outro aspecto importante desse escoamento é o comportamento não newtoniano do fluido, que, dependendo da taxa de cisalhamento, terá uma viscosidade menor. Os resultados das simulações mostraram que a velocidade terminal média dos cascalhos diminuicom a fração volumétrica de sólidos, mas aumenta quando os efeitos de pseudoplásticos são mais intensos. Observou-se também que ao reduzir o índice de lei de potência, as partículas tendem a sedimentar uma ao lado da outra, efeito causado principalmente pela redução da viscosidade próximo à superfície das partículas. Durante a elaboração do primeiro artigo, foi observado que ter um modelo numérico rápido para a análise de escoamentos é fundamental para obter resultados de forma ágil. Portanto, o segundo artigo focou na representação de momentos do método de lattice Boltzmann (MRLBM) usando precisão simples para aumentar a velocidade da simulação e reduzir o uso de memória. O MRLBM é uma abordagem avançada que reformula o LBM para funcionar dentro de um espaço de momentos em vez das funções de distribuição de partículas convencionais. Essa técnica é particularmente vantajosa para aumentar a eficiência computacional e otimizar o uso da memória. Os resultados mostraram que foi possível reduzir o uso de memória em mais da metade, em comparação ao esquema de memória LBM AB, devido ao uso apenas dos momentos. Alcançou-se aumento na velocidade de computação entre 30% e 40%, causado pela redução do número de leituras e gravações na memória global, além de precisão semelhante aos resultados de literatura para escoamentos turbulentos. Com o MRLBM implementado, o método foi testado contra escoamentos transientes envolvendo fluidos viscoplásticos. Fluidos viscoplásticos são caracterizados por sua capacidade de se comportar como um sólido até que um certo limite de tensão seja excedido, momento em que fluem como um líquido. Esse tipo de fluido, comumente encontrado em operações de perfuração e outros processos industriais, apresenta desafios únicos para modelagem numérica devido a sua descontinuidade matemática. O método foi então utilizado para analisar o problema canônico da mecânica de fluidos: a cavidade com tampa deslizante, porem preenchida com um fluido viscoplástico em duas e três dimensões no terceiro e quarto artigos, respectivamente. O objetivo era investigar o regime de escoamento não documentado na literatura onde o escoamento muda de um estado estacionário para um estado com oscilações periódicas. Os resultados mostraram que o número de Reynolds para o qual ocorre o ponto de bifurcação aumenta com a tensão de escoamento do material. No entanto, antes que esta bifurcação ocorra, os cantos da cavidade que se encontram inicialmente plastificados se quebram devido a formação semelhante a vórtices de Moffat. Para o caso bidimensional observou-se a existência de mais regimes de escoamento possíveis em determinadas faixas de números de Reynolds. Já para o caso tridimensional foi observado que para alguns casos os vórtices do tipo Taylor-Görtler apresentavam movimento laterais. Finalmente, os resultados dos artigos demonstraram que o LBM é uma ferramenta robusta, versátil e rápida para simular dinâmica de fluidos complexos em uma variedade de cenários encontrados na indústria de petróleo e gás. |
| Abstract: | Using numerical methods to solve complex fluid flows is a common practice in engineering. One problem numerical methods can solve is how the fluid or particles behave while inside an oil well.The results of the simulations were then gathered and analyzed. However, publishing the knowledge, which is performed through peer-reviewed articles, is necessary to make the most tecnologic impact. This process guarantees that the scientific method is respected and relevant to other researchers. Therefore, this work presents four scientific papers regarding using the lattice Boltzmann method for fluid simulations under certain flow conditions. The lattice Boltzmann method (LBM) is a computational fluid dynamics (CFD) technique that has gained significant popularity for its ability to simulate complex fluid flows in various applications, including those found in oil wells. Unlike traditional CFD methods that solve the Navier-Stokes equations directly, the LBM models the fluid at a mesoscopic scale using particle distribution functions. These functions evolve over discrete time steps on a lattice grid, making the method particularly suitable for parallel computing (in GPUs) and handling complex boundary conditions (for example in porous media). Despite its inherent simplicity, the lattice Boltzmann method can model a wide range of complex fluid dynamics phenomena, making it a powerful tool for both academic research and industrial applications. The first article concerns multiple particles settling in a power-law fluid. The study focused on situations where cuttings, fragments of rock and other materials generated during the drilling process, start to settle in the well after the pump stoppage. Predicting the rate at which these cuttings settle is of utmost importance due to several critical implications for well operation and safety. In the worst-case scenario, incorrect predictions can lead a stuck bore hole assembly, which consequently leads significant downtime and financial loss. Another important aspect of this flow, is the non-Newtonian behavior of the fluid, which depending on the shear-rate will present a lower viscosity. The simulation results showed that the mean terminal velocity of the cuttings reduced with the a higher solid volume fraction but increased when the shear-thinning effects of the fluid become more intense. It was also observed that by decreasing the power-law index, the particles tend to settle closer together, mainly caused by the reduced viscosity near the particle surface. During the elaboration of first article it was observed that having a fast numerical model for the analysis of fluid flows is fundamental to obtain results in a timely manner. Thereforethe second article is focused in the moment representation of the lattice Boltzmann method (MRLBM) using single-point precision to increase the velocity of simulation and reduce the memory footprint. The moment representation of the lattice Boltzmann method is an advanced approach that reformulates the LBM to work within a space of moments rather than the conventional particle distribution functions. This technique is particularly advantageous for enhancing computational efficiency and optimizing memory usage. The results showed that it was possible to reduce memory usage by more than half, compared to the LBM AB memory scheme. Additionally, it achieved an overall increase in computing speed from 30% to 40%, caused by reduced number the reads and writes in the global memory per time step while keeping the same accuracy for turbulent flows. With the MRLBM implemented, the method was tested against transient flows involving viscoplastic fluids. Viscoplastic fluids are characterized by their ability to behave like a solid until a certain stress threshold is exceeded, at which point they flow like a liquid. This type of fluid, commonly encountered in drilling operations and other industrial processes, presents unique challenges for numerical modeling due to its mathematical discontinuity. The method was used then to analyze the canonical problem lid-driven cavity filled with a viscoplastic fluid, in two and three dimensions in the third and forth article, respectively. The goal was to investigate the undocumented flow state where the flow transitions from a steady-state to a periodic regime with a fluid that presents this yield stress. The results showed that the Reynolds number for the bifurcation point will increase with the material yield stress. However, before occuring the bifurcation, the unyielded corners break into a plug similar to Moffat eddies. For the two-dimensional case, the existence of more flow regimes in certain Reynolds number ranges was observed. For the three-dimensional case, it was observed that in some cases, the TaylorGörtler-like vortices had lateral movement. Finally, the results from all these articles demonstrated that the LBM is a robust, versatile, and fast tool for simulating complex fluid dynamics in a variety of challenging scenarios which can be found in the oil and gas industry. |
| URI: | http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/34793 |
| Aparece nas coleções: | CT - Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica e de Materiais |
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