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Type: Tese
Title: Mathematical and computational analysis of mechanistic models for foam flow in porous media
Author: Cedro, Jhuan Barbosa da Silva e
First Advisor: Chapiro, Grigori
Referee Member: Rossen, William
Referee Member: Kovscek, Anthony
Referee Member: Silva, Vinicius Luiz Santos
Referee Member: Pereira, Weslley
Resumo: Há um interesse renovado no estudo do escoamento de espuma em meios porosos, especialmente em aplicações de engenharia ambiental e de petróleo. Diversas observações experimentais relatam perfis de saturação que mantêm uma forma consistente durante o deslocamento no meio poroso, motivando a investigação de soluções na forma de ondas viajantes para modelos de espuma. Neste trabalho, analisamos três modelos de escoamento de espuma com abordagens distintas para reologia e balanço de bolhas, incluindo um modelo não newtoniano para o qual demonstramos a existência de soluções em onda viajante. Validamos nossa solução semi-analítica por meio de simulações numéricas, que apresentaram boa concordância com os dados experimentais. Mostramos que, para meios homogêneos em regime de espuma forte, todos os modelos resultam na mesma solução quando ajustados para condições experimentais típicas. As diferenças entre os modelos foram exploradas por meio de simulações bidimensionais em campos heterogêneos de permeabilidade, revelando uma divergência significativa na descrição da distribuição de bolhas. O modelo que incorpora uma taxa de destruição da espuma dependente da permeabilidade apresenta maior densidade de bolhas em regiões mais permeáveis, em conformidade com observações reportadas na literatura. Apesar dessas diferenças, todos os modelos preveem com precisão o tempo de breakthrough, as curvas de produção e o formato da frente de gás. Nossos resultados confirmam a aplicabilidade da abordagem de onda viajante para obtenção de soluções semianalíticas em modelos de espuma newtonianos e não newtonianos e fornecem uma ferramenta para auxiliar na seleção de modelos apropriados para aplicações específicas.
Abstract: There has been a renewed interest in studying foam flow in porous media, particularly in environmental and petroleum engineering applications. Several experimental observations reported saturation profiles maintaining a consistent shape during displacement through the medium, motivating the investigation of solutions for foam models in the form of traveling waves. In this work, we analyze three foam flow models with distinct approaches to rheology and bubble balance, including a non-Newtonian model for which we demonstrate the existence of traveling wave solutions. We validated our semi-analytical solution with numerical simulations, and both agreed well with the experimental data. We show that, for homogeneous media under the strong foam regime, all models yield the same solution when fitted to typical experimental conditions. We explored model differences through two-dimensional simulations in heterogeneous permeability fields, revealing a significant divergence in describing bubble distribution. The model featuring a permeability-dependent foam destruction rate exhibits higher bubble density in more permeable regions, consistent with observations reported in the literature. Despite these differences, all models accurately predict breakthrough time, production curves, and the shape of the foamed gas front. Our findings confirm the applicability of the traveling wave approach in obtaining semi-analytical solutions for Newtonian and non-Newtonian foam models and provide a tool to aid in selecting appropriate models for specific applications.
Keywords: Escoamento em meios porosos
Espumas
Ondas viajantes
Fluido não newtoniano
Permeabilidade
Flow in porous media
Foam
Traveling waves
Non-Newtonian fluid
Permeability
CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA
Language: eng
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF)
Institution Initials: UFJF
Department: Faculdade de Engenharia
Program: Programa de Pós-graduação em Modelagem Computacional
Access Type: Acesso Aberto
Creative Commons License: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/br/
URI: https://repositorio.ufjf.br/jspui/handle/ufjf/18499
Issue Date: 20-Mar-2025
Appears in Collections:Doutorado em Modelagem Computacional (Teses)



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