Escoamentos monofásicos e bifásicos de líquidos imiscíveis em meios porosos com efeito magnetohidrodinâmico

Abstract

Neste estudo, realiza-se uma análise de escoamentos em meios porosos com objetivo de se examinar e entender com maior profundidade fenômenos físicos envolvidos na interface entre dois líquidos imiscíveis de diferentes viscosidades, no qual um fluido de menor viscosidade desloca o de maior viscosidade no interior de uma célula de Hele-Shaw ou matriz porosa. Exploram-se diferentes configurações e condições físicas de escoamentos visando também, o desenvolvimento de estratégias que minimizem a formação das chamadas instabilidades de Saffman-Taylor na interface líquido-líquido, bem como o aumento da velocidade de deslocamento da mesma interface. Essas instabilidades, tipo fingers viscosos podem diminuir de maneira significativa a eficiência do processo de extração de petróleo em reservatórios naturais. Efetuam-se análises de escoamentos desde a escala dos poros até a escala da matriz porosa, além de se investigar a influência de efeitos magnéticos em escoamentos monofásicos em meios porosos como também efeitos interfaciais no escoamento bifásico de fluidos imiscíveis. Aprofunda-se no estudo das instabilidades geradas na interface entre os dois fluidos pelo controle da razão entre forças viscosas e forças de tensões interfaciais, denotada por número de capilaridade, bem como pelo controle da porosidade da matriz porosa e, consequentemente, da permeabilidade associada. Ademais, verifica-se a influência de efeitos inerciais no escoamento em meios porosos, modelados pelo termo inercial de Forchheimer, função do número de Reynolds do escoamento. Os escoamentos referentes a célula de Hele-Shaw são estudados tanto por meio de soluções analíticas como também por simulações numéricas em regimes mais complexos do escoamento, usando-se o método dos volumes finitos no software OpenFOAM. Os resultados das simulações são validados por soluções exatas ou assintóticas em casos-limite dos escoamentos explorados. Observa-se uma boa concordância entre os resultados preditos pelas simulações e as soluções analíticas, mostrando uma excelente acurácia do código computacional e a eficiência da metodologia numérica implementada. Dos resultados obtidos referentes às investigações das instabilidades interfaciais de fingers, verifica-se que o fenômeno de transição da configuração de longos fingers viscosos, penetrando o fluido mais viscoso a partir da interface, pode transicionar para regimes multi-fingers, em que os efeitos de tensão interfacial passam a ser comparáveis ou maiores do que os efeitos viscosos nesse escala de fingers capilares. As configurações de fingers observadas são influenciadas de forma significativa pelo número de capilaridade e pela porosidade do meio poroso, conforme também já observado experimentalmente. Em adição, verifica-se que uma diminuição da permeabilidade do meio poroso causa um efeito equivalente a desaceleração do escoamento que pode ser produzida por efeitos magnetohidrodinâmicos (MHD) controlando-se o campo magnético transversal aplicado a um escoamento interfacial envolvendo de um lado um fluido eletricamente condutor como a água salgada e do outro lado, óleo. O efeito magnetohidrodinâmico nos escoamentos explorados no presente trabalho pode servir como um mecanismo atenuador das instabilidades tipo fingers observadas.