Desenvolvimento de modelos numéricos para escoamentos multifásicos com múltiplas escalas de interface

Este projeto tem como principal o desenvolvimento, implementação e validação de modelos para escoamentos multifásicos complexos, envolvendo múltiplas escalas de interfaces, visando aplicações industriais. Os modelos a serem desenvolvidos se constituem em uma importante contribuição ao corpo de conhecimento atual no assunto, com potencial de aplicação em diversos problemas ou processos industriais envolvendo escoamentos multifásicos com morfologias complexas. Modelos para simulação de escoamentos multifásicos em aplicações industriais tem sido desenvolvidos com sucesso na últimas décadas. Contudo, diversos aspectos relacionados ao fechamento destes modelos, necessários devido a impossibilidade da resolução numérica de todas as escalas envolvidas, ainda apresentam espaços significativos para melhorias, em particular, quando envolvem escoamentos com arranjos de fases com morfologias complexas. Estes desenvolvimentos envolverão estudos transversais de caráter fundamental em aspectos como turbulência e escoamentos na presença de interfaces, necessários para o desenvolvimento de modelos adequados de fechamento, que certamente contribuirão com a ampliação do corpo de conhecimento no assunto. Além disso, o desenvolvimento de modelos de fechamento será baseado no uso de redes neurais, o que constitui em um riquíssimo e muito atual assunto de pesquisa. Uma aplicação industrial será também desenvolvida como parte do projeto, que visa o desenvolvimento de sensores de vazão multifásicos robustos e de baixo custo, baseados em dispositivos de aceleração (ex. placa de orifício), onde também serão utilizados modelos de redes neurais para correlacionar os sinais transientes de pressão, com o padrão de escoamento e com as vazões de fases. Estudos experimentais neste assunto, já em andamento, serão utilizados subsidio e validação dos modelos computacionais.

Período de Execução: 2022 - 2025

Estudo numérico e experimental do escoamento bifásico transiente em padrão de gás úmido em placas de orifício

Este projeto se insere em um projeto de pesquisas em desenvolvimento no Núcleo de Dinâmica dos Fluidos da Escola Politécnica da USP, o qual tem por objetivo geral a investigação e desenvolvimento de modelos preditivos para medição de escoamentos multifásicos em sistemas de produção de petróleo, com ênfase em medidores de pressão diferencial e válvulas de choke. O projeto contempla o desenvolvimento e validação de modelos mecanicistas unidimensionais e sua aplicação em campo. Os modelos desenvolvidos serão utilizados no desenvolvimento de medidores de escoamento multifásico. Esses modelos serão validados através da comparação de resultados com os obtidos utilizando códigos computacionais de Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD) e através da comparação de resultados experimentais. Neste contexto, esta sendo desenvolvida no SINMEC/UFSC, no contexto de um projeto já em andamento, a parte que contempla a implementação de modelos de CFD para estudos numéricos multidimensionais transientes em placas de orifício e estudos paramétricos e análise de resultados. O objetivo especifico desta parte do projeto é a caracterização do escoamento bifásico liquido-gás em placas de orifício e, em particular, a procura, por enquanto exploratória, de correlações entre a frequência de oscilações do jato a montante da placa de orifício e o conteúdo de líquido da corrente a montante. No entanto, foi observado ao longo do desenvolvimento das simulações numéricas cujos modelo estão sendo desenvolvido por uma aluna de doutorado do POSMEC/UFSC, foram enfrentadas dificuldade na implementação e validação dos modelo, face ao desconhecimento dos detalhes do fenômeno sendo estudado. Embora existem diversos estudos experimentais na literatura para escoamento de gás úmido em placas de orificio, que incluíram o desenvolvimento de correlações empíricas, estes estudos são em geral de caráter global, estudando parâmetros integrais do escoamento e não incluem o estudo detalhados dos fenômenos fluidodinâmicos que acontecem nas proximidades da placa de orificio, como a distribuição e configuração morfológica das fases, diâmetros das gotas de líquido etc. que são de fundamental importancia no fechamento de modelos de CFD. Apesar de modelos de CFD tridimensionais procurarem entender de forma mais detalhada estes fenômenos, em se tratando de escoamento bifásicos, este tipo de informações obtidas através de experimentos é fundamental para o fechamento dos modelos. Desta forma, esta fase do projeto, que dará continuidade aos estudo já em desenvolvimento, tem por objetivo o estudo experimental do escoamento de gás liquido em placas de orificio no intervalo operacional correspondente ao regime de "gás úmido". A partir deste estudo, onde será utilizadas técnicas de visualização com câmera rápida e velocimetria por imagem de partículas (PIV), serão obtidas informações que permitirão, alem de uma melhor compreensão do fenômeno, o desenvolvimento de modelos de fechamento para os modelos de CFD desenvolvidos.

Período de Execução: 2021 - 2023

Aplicação de técnicas de deep learning para a caracterização de escoamentos bifásicos líquido-gás através de PIV/PTV

Este projeto tem por objetivo desenvolver técni...Este projeto tem por objetivo desenvolver técnicas de aprendizado profundo deep learning baseadas em Redes Neurais convolucionais (CNNs) para o estudo experimental de escoamentos multifásicos em sistemas de produção de petróleo e gás natural. Escoamentos líquido-gás são a regra e não a exceção em sistemas de elevação e escoamento de petróleo e gás natural. Assim, o desenvolvimento de técnicas de analise e medição de escoamentos multifásicos se torna de fundamental importância neste tipo de aplicação.
Em uma primeira fase do projeto se busca dar continuidade a algumas atividades já em desenvolvimento, que tem foco na aplicação deste tipo de técnica para analise de imagens decorrentes da utilização de técnicas óticas para medição de escoamentos liquido-gás em padrão e bolhas. Neste tipo de técnicas, imagens do escoamento são obtidas e, através de uma analise quantitativa das mesmas, informações como campos de velocidades, e distribuição de tamanho de bolhas, entre outras, podem ser obtidas. Em particular, no contexto deste projeto, duas técnicas estão sendo utilizadas, Velotimatria por Imagem de Partículas (PIV, do inglês, textit{Particle Iamge Velocimentry}) para medição dos campos de velocidades da fase líquida e Velocimetria por Rastreamento de Partículas (PTV, do inglês, textit{Particle Tracking Velocimetry}) que permite medir as velocidades das bolhas da fase gasosa. Além disso, através da identificação das bolhas dispersas nas imagens obtidas através de câmera de alta velocidade é possível obter parâmetros como distribuição de fase, tamanho e forma da bolhas dispersas. No caso da aplicação da técnica de PIV para medição de velocidade em escoamentos gás-líquido, um dos principais desafios que pode ser sobrelevado utilizando técnicas de deep learning para análise de imagens, é a discriminação das fases nas imagens, isto é, a determinação das regiões ocupadas pelas fases liquido e gás nas imagens obtidas. Após este procedimento, podem ser aplicados algoritmos para determinação dos campos de velocidades, apenas nas regiões ocupadas pela fase líquida. No caso de imagens de bolhas dispersas, as técnicas de analise e classificação de imagens utilizando deep learning vem sendo utilizadas com sucesso para identificar a posição e formato das bolhas no escoamento. O uso destas técnicas combinadas permite obter uma completa e detalhada caracterização do escoamento, incluindo campos de velocidade de ambas as fases e distribuição de tamanho e morfologia das bolhas. Este tipo de informação é de fundamental importância para o subsidio e validação de modelos numéricos multidimensionais de CFD que podem ser aplicados a diferentes sistemas e equipamentos associados a elevação e escoamento de petróleo.
O projeto objetiva também desenvolver um conjunto de ferramentas e códigos computacionais, assim como a formação de recursos humanos, no assunto de aprendizado profundo, que possam ser aplicados a analise de diferentes processos envolvendo escoamentos multifásicos, visando sua aplicação em sistemas de produção de petróleo e gás natural.
Aplicações futuras de técnicas de aprendizado profundo incluem identificação de padrões de escoamento bifásico, medição de vazão multifásica em línea e controle e otimização de processos de bombeamento e elevação de petróleo.
Período de Execução: 2020-2022

Projeto SIGER II

O segundo projeto realizado no âmbito da rede SIGER teve como principal objetivo o desenvolvimento e comparação de metodologias numéricas cell-center para discretização de modelos de escoamento em malhas poliédricas.  A principal característica das malhas poliédricas é a sua formação por células com número arbitrário de faces, o qual permite que se adaptem facilmente a qualquer geometria. Essa propriedade poderá ser aproveitada, por exemplo, para resolver com maior detalhe as regiões próximas a poços em simulações de reservatórios de petróleo. Nessa abordagem, alguns blocos de uma malha corner-point de um reservatório seriam substituídos por uma malha cilíndrica ao redor de um poço e uma malha de transição poliédrica preenchendo o espaço entre ambas. Dessa forma poderá ser melhorada a precisão dos resultados na região próxima a um poço sem aumentar excessivamente o número total de volumes da malha.

Período de execução: 2011-2014

Projeto SIGER I

O primeiro projeto executado no laboratório SINMEC com patrocínio da Rede Temética de Simulação e Gerenciamento de Reservatórios (SIGER) teve por objetivo o desenvolvimento de bibliotecas computacionais e aplicativos didáticos utilizando malhas não estruturadas. Como produtos finais do projeto foram desenvolvidas a bilbiotecas EFVLib e ACMLib e os aplicativos Griffin e Poseidon. A EFVLib e a ACMLib são bibliotecas em C++ cuja finalidade principal é facilitar a implementação de simuladores numéricos. O Griffin é um aplicativo didático, desenvolvido para servir de ferramenta introdutória à simulação de reservatórios com malhas não estruturadas. Finalmente, o aplicativo Poseidon é um simulador simplificado, o qual permite resolver problemas de deslocamento bifásico em reservatórios tridimensionais discretizados por meio de malhas não estruturadas híbridas.

Período de execução: 2007-2010

Projeto WellRes (Poço-Reservatório)

O projeto teve como objetivo principal o estudo de técnicas numéricas para o tratamento do acoplamento poço-reservatório na simulação de reservatórios de petróleo. Como produto final do estudo foi desenvolvido um simulador trifásico tridimensional capaz de obter uma solução acoplada dos escoamentos no reservatório e no interior do poço. No acoplamento foram considerados diferentes tipos de completações, bem como malhas do poço e do reservatório independentes. Este projeto foi desenvolvido em parceria com a ESSS e a Petrobras.

Período de execução: 2009-2013

Poroelasticidade - Acoplamento Escoamento e Geomecânica

Este projeto, também financiado pela Petrobras, é uma sequência dos diversos projetos executados pelo Sinmec na área de reservatórios de petróleo, desta vez considerando o escoamento no meio poroso e seu acoplamento com a geomecânica. A importante novidade deste projeto é a forma como o Sinmec vem, desde 2013, equacionando este importante acoplamento. A prática da engenharia para tratar o problema da geomecânica em reservatórios é utilizar dois softwares distintos, um deles em elementos finitos, que resolve a mecânica da rocha e outro, em volumes finitos, que resolve o escoamento no reservatório. Ou seja, informações de pressão e deslocamentos transitam de um software para outro, com claras implicâncias em tratamento de dados, malhas distintas com interpolação de dados e técnicas diferentes no tratamento dos problemas. Este é um procedimento padrão porque é culturalmente estabelecido que o método dos volumes finitos é adequado apenas para problemas de escoamentos. Na verdade, volumes finitos pode ser aplicado, ainda com maior facillidade, em problemas de mecânica dos sólidos. E este projeto faz importantes desenvolvimentos tratando este acoplamento com volumes finitos para as duas físicas.

Período de Execução: 2019-2021

Projeto Magnesita

Aplicado a indústria siderúrgica, o projeto teve como principal objetivo a simulação computacional das diferentes etapas do processo de fabricação de aço, visando melhorar o projeto e desenvolvimento dos equipamentos associados a essas etapas e incrementando dessa forma a eficiência do processo como um todo. Projeto realizado em parceria com a Magnesita, empresa fabricante de equipamentos refratários utilizados na produção de aço.

Período de execução: 2006-2009

Projeto RelP (Relative Permeability)

O objetivo principal do projeto RelP foi o desenvolvimento de um aplicativo computacional para a determinação de curvas de permeabilidade relativa de rochas reservatório, a partir de dados coletados em ensaios de laboratório. Na tentativa de tornar o processo de obtenção dessas curvas mais preciso e robusto, uma metodologia de estimação de parâmetros foi implementada, a qual, em conjunto com um simulador numérico, permite determinar curvas de permeabilidade relativa para diversos processos de deslocamento de fluidos nas rochas. 

Período de execução: 2003-2005

Projeto Formação de Gelo

O projeto teve como principal objetivo o desenvolvimento de um software para auxiliar no projeto de perfis aerodinâmicos de aeronaves. Este software, denominado de Aeroicing, tem a capacidade de prever a formação e crescimento de camadas de gelo nos perfis aerodinâmicos, bem como, calcular a potência térmica necessária para evitar a formação dessas camadas e os problemas aerodinâmicos associados. O projeto foi desenvolvido em parceria com a Empresa Brasileira de Aeronáutica S.A. (Embraer).

Período de execução: 2001-2006

Projeto SimBR

O SINMEC contribuiu para a o desenvolvimento de um software, denominado SimBR, voltado para a simulação da formação de bacias sedimentares. Esse software era o produto final de um projeto de cooperação científica e tecnológica entre a Petrobras e a IBM.  A certa altura da construção do software, o SINMEC foi requisitado para avaliar os esquemas numéricos e contribuir para a solução de algumas dificuldades então enfrentadas pela equipe encarregada do seu desenvolvimento. A ideia que norteia a simulação de bacias é tentar simular a deposição de sedimentos que ocorreu ao longo de milhões de anos, assim como o escoamento dos fluidos no meio já depositado conforme esse meio era soterrado pela deposição das camadas seguintes. O objetivo final é o de prever sítios com maior probabilidade da ocorrência de um reservatório de óleo ou gás.  

Período de execução: 2006-2007

Projeto Sal3D-SimBR

O módulo Sal3D-SimBR, desenvolvido durante este projeto, tem por objetivo fornecer ao aplicativo SimBR o campo de velocidade associado à camada de sal, quando esta faz parte das camadas geológicas de uma bacia sedimentar. Na abordagem considerada no projeto, a movimentação do sal é determinada pela solução numérica de um problema de Stokes, utilizando-se para tanto o método dos volumes finitos baseado em elementos (EbFVM). O campo de velocidade fornecido é importante para modelar o transporte advectivo de energia, o qual, por sua vez, tem incidência na geração ou não de óleo em uma determinada região da bacia, no modelo resolvido no aplicativo SimBR. O módulo Sal3D-SimBR foi implementado de forma robusta e genérica, de modo a permitir alterações ou adições com razoável facilidade.

Período de execução: 2006-2007

Projetos Malhas

Na área de simulação de reservatórios é tradicional o uso de malhas corner-point, malhas que são do tipo estruturado e que possuem um vínculo estreito com o processo de caracterização do reservatório. Com o objetivo de aplicar malhas curvilíneas generalizadas e não estruturadas à simulação de reservatórios, a Petrobras, através de sua divisão de Geologia e Engenharia de Reservatórios, iniciou junto com o SINMEC estudos visando o desenvolvimento de algoritmos empregando esses tipos de malhas. Três projetos ao longo de sete anos foram desenvolvidos no SINMEC objetivando-se comparar diversos aspectos relativos ao uso de malhas desse tipo em diversas problemas de simulação de reservatórios. 

Período de execução: 2001-2007

Projeto VLS

Entre o final da década de 1980 e início da década de 1990, o laboratório SINMEC participou de um projeto de P&D em parceira com o Instituto de Atividades Espaciais do Centro Tecnológico da Aeronáutica (IAE/CTA). Esse projeto, um dos pioneiros do laboratório, tinha por objetivo desenvolver metodologias numéricas para simular o escoamento em torno do Veículo Lançador de Satélites (VLS), que naquele momento se encontrava em fase de projeto.  O simulador  tridimensional desenvolvido baseou-se em uma metodologia que contemplava o uso de coordenadas curvilíneas generalizadas e que garantia a solução de escoamentos em qualquer velocidade, tanto subsônicos quanto supersônicos, um passo importante para a época.

Período de execução: 1987-1993