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Experimento de Dutra(18) para Estudiar Interface entre Fluidos: Novas Adaptações, Notas de aula de Lasers

Este documento descrive o experimento de dutra(18) projetado e construído no laboratório para representar o espaço anular de um poço e melhorar a visualização da interface entre os fluidos que circulam nele. O documento detalha as adaptações feitas na planta experimental para melhorar a visualização e permitir a inclinação do espaço anular. O experimento original apresentava dificuldades na inclinação e na utilização de um plano de visualização gerado por um laser, o que levou à construção de um experimento semelhante, em escala reduzida, para resolver esses problemas.

O que você vai aprender

  • Qual era a finalidade do experimento original de Dutra(18) e por que apresentava dificuldades?

Tipologia: Notas de aula

2022

Compartilhado em 07/11/2022

usuário desconhecido
usuário desconhecido 🇧🇷

4.5

(77)

184 documentos

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ETODOS EXPERIMENTAIS
3.1
Montagem Experimental
A planta experimental projetada e constru´ıda por Dutra (18) no labo-
rat´orio para representar o espa¸co anular de um po¸co e permitir a visualiza¸ao
da interface entre os fluidos que circulam pelo mesmo foi adaptada para me-
lhorar a visualiza¸ao e para permitir a inclina¸ao do espa¸co anular. A figura
3.1 mostra uma foto da planta experimental com as adapta¸oes.
Figura 3.1: Foto da planta experimental de Dutra(18) com adapta¸oes.
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0621122/CA
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M´ETODOS EXPERIMENTAIS

Montagem Experimental

A planta experimental projetada e constru´ıda por Dutra (18) no labo- rat´orio para representar o espa¸co anular de um po¸co e permitir a visualiza¸c˜ao da interface entre os fluidos que circulam pelo mesmo foi adaptada para me- lhorar a visualiza¸c˜ao e para permitir a inclina¸c˜ao do espa¸co anular. A figura 3.1 mostra uma foto da planta experimental com as adapta¸c˜oes.

Figura 3.1: Foto da planta experimental de Dutra(18) com adapta¸c˜oes.

Na figura 3.1 podem ser observados os tanques utilizados para armazenar os fluidos de trabalho, as bomba e as tubula¸c˜oes por onde os fluidos escoam, a cˆamara de visualiza¸c˜ao e os tubos que determinam o espa¸co anular. O sistema pode ser inclinado de 0 a 90o^ e o espa¸co anluar ´e formado por dois tubos de acr´ılico com diˆametros de 4” e 2” e altura de 2,38m. Esse experimento estava preparado para a utiliza¸c˜ao de apenas dois fluidos por vez e requeria grandes quantidades dos mesmos por teste e devido `as suas dimens˜oes, houve grande dificuldade para inclin´a-lo. Al´em disso, assim como Dutra (18) a utiliza¸c˜ao de um plano de visualiza¸c˜ao gerado por um laser n˜ao apresentou bons resultados. Por essas raz˜oes foi observada a necessidade da constru¸c˜ao de um experimento semelhante, em escala reduzida, para diminuir a dificuldade de inclina¸c˜ao, para permitir a utiliza¸c˜ao de mais de dois fluidos por teste e para permitir a utiliza¸c˜ao de um plano de visualiza¸c˜ao para analisar o formato da interface. Assim, foi feita uma an´alise dimensional que tornou poss´ıvel reduzir consideravelmente as dimens˜oes do experimento. A figura 3.2 mostra uma foto da bancada experimental e a figura 3.3 esquema da nova planta experimental.

Figura 3.2: Foto da nova planta experimental.

horizontal (90o). A figura 3.4 a seguir mostra uma foto da base de a¸co inox com um medidor transferidor para medir ˆangulo de inclina¸c˜ao.

Figura 3.4: Foto da base de sustenta¸c˜ao.

O tubo interno pode ser isolado do tubo externo, separando assim o fluido que se encontra no espa¸co anular do que se encontra no tubo interno por meio de um sistema que chamamos de “tamp˜ao”. Na figura 3.5 a seguir podem ser observadas fotos do sistema “tamp˜ao” tiradas de cima (a) e de lado (b) bem como um desenho esquem´atico em corte do sistema (c).

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Figura 3.5: Foto de cima (a), foto lateral (b) e desenho esquem´atico (c) do sistema tamp˜ao.

Na extremidade superior dos tubos foi encaixada uma pe¸ca de a¸co inox com um furo no centro e quatro conectores que s˜ao ligados `as mangueiras para permitir a entrada, circula¸c˜ao e sa´ıda dos fluidos de trabalho. A figura 3. mostra uma foto desta pe¸ca. A visualiza¸c˜ao de escoamentos no interior de tubos cil´ındricos ´e afetada pelo efeito de lente da curvatura da geometria. Para reduzir esse efeito, uma caixa para visualiza¸c˜ao foi montada sobre a base de a¸co inox, envolvendo o experimento. A caixa de visualiza¸c˜ao foi constru´ıda com placas de policarbo- nato com espessura de aproximadamente 2mm. Quatro placas foram presas entre si por parafusos e a caixa foi vedada com silicone. A caixa ento foi colada na base de a¸co inox na sua extremidade inferior e na placa de a¸co inox com a pe¸ca da figura 3.6 em sua extremidade superior. As dimens˜oes da caixa de visualiza¸c˜ao s˜ao aproximadamente: 900mm de comprimento axial, 116mm de altura e 116mm de largura. Na figura 3.7 pode ser vista uma foto da caixa de visualiza¸c˜ao.

Para melhor estudar a evolu¸c˜ao do formato da interface no processo de deslocamento de fluidos na regi˜ao anular, ´e interessante utilizar um plano de visualiza¸c˜ao. Para tanto, misturamos a um dos fluidos de trabalho part´ıculas tra¸cadoras, que foram esferas ocas de vidro com cobertura metalizada modelo SH400S20 do tipo CONDUCT-O-FIL ©R produzida por Potters Industries Inc. importadas pela empresa R&D International Importa¸c˜ao e Exporta¸c˜ao Ltda

  • S˜ao Paulo Brasil. Essa part´ıculas tˆem diˆametro m´edio de 13μm, sendo que 10% das part´ıculas tˆem diˆametro de at´e 6μm e 90% tˆem diˆametro de at´e 33μm. A densidade m´edia das esferas ´e de 1,6. Essas micropart´ıculas adicionadas ao fluido refletem a luz incidida a partir de dois feixes de laser inclinados, apontando na mesma dire¸c˜ao e em sentidos opostos para a caixa de visualiza¸c˜ao, definindo uma se¸c˜ao de testes. No cap´ıtulo 4 no qual s˜ao apresentados os resultados, ser´a explicada com mais detalhes a necessidade da inclina¸c˜ao e da utiliza¸c˜ao de dois feixes de laser. O comprimento de onda e a potˆencia dos lasers foram respectivamente 670nm e 400 mW. Foram testadas a utiliza¸c˜ao de duas fendas acopladas a caixa de visua- liza¸c˜ao pelo lado externo, depois foram testadas duas fendas dentro da caixa de visualiza¸c˜ao, presas ao tubo externo para auxiliar no alinhamento dos fei- xes de laser. Entretanto foi observado que as fendas reduziam a intensidade da luz incidindo na se¸c˜ao de testes e por isso, posteriormente foram retiradas e os testes foram realizados sem a utiliza¸c˜ao das fendas, alinhando-se os feixes de luz manualmente. A figura 3.8 mostra um esquema do posicionamento dos lasers em rela¸c˜aoa caixa de visualiza¸c˜ao definindo a se¸c˜ao de testes e a figura 3.9 mostra uma foto dos lasers iluminando as micropart´ıculas. Para cada teste realizado, o formato da interface entre os fluidos ´e fotografado conforme ela avan¸ca atrav´es do espa¸co anular e ent˜ao, a eficiˆencia do deslocamento ´e associada a este formato. A cˆamera utilizada foi da marca Canon, modelo DS 126171 , com lente Canon compact-macro EF 50mm 1:2.5.

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Figura 3.8: Desenho esquem´atico do posicionamento dos lasers.

Figura 3.9: Foto dos lasers inclinados iluminando a se¸c˜ao de testes.

foi aberta, permitindo o contato entre os dois l´ıquidos e formando a interface inicial. Em seguida os lasers foram ligados e os feixes de luz atravessaram a caixa de visualiza¸c˜ao formando um plano de luz. As luzes do laborat´orio foram apagadas e ent˜ao o processo de deslocamento est´a pronto para ser iniciado. O escoamento se d´a para baixo no tubo interno e para cima na regi˜ao anular. O formato da interface entre os fluidos ´e ent˜ao fotografado conforme ela evolui pelo espa¸co anular. A cˆamera ´e capaz de capturar de trˆes fotos por segundo possibilitando assim a posterior an´alise das imagens e avalia¸c˜ao da eficiˆencia de deslocamento.