Velocimetria por imagem de partículas aplicada a escoamentos em escala micrométrica

Abstract

Com o intuito de avançar no conhecimento dos escoamentos bifásicos em meios porosos é utilizada uma técnica experimental que vem ganhando espaço considerável em diversas áreas de pesquisa devido a sua grande versatilidade em termos dos dados gerados. A técnica denominada Velocimetria por Imagem de Partículas (PIV) se mostra adequada para o estudo de geometrias que apresentam incertezas quanto ao comportamento dos fluidos durante seu escoamento, como é o caso do poro de duplo canal. Isso se deve ao fato de ser uma técnica óptica menos intrusiva que permite monitorar simultaneamente todo o campo de velocidade da região de interesse. Neste trabalho, foram realizadas gravações µPIV em escoamentos monofásicos e bifásicos. Experimentos monofásicos em um microcanal de seção retangular de apenas 100 µm de largura por 32 µm de profundidade foram feitos para comparação dos dados gerados pela técnica µPIV àqueles obtidos com a solução analítica de Hagen-Poiseuille. Para validar o uso da técnica e do procedimento experimental, também foram realizados ensaios com o poro de duplo canal a fim de obter o campo de velocidade para um escoamento monofásico e comparar os mesmos a uma simulação numérica. Posteriormente, foram feitas análises para o escoamento bifásico em um poro de duplo canal, onde foram avaliados o campo de velocidade da fase injetada em um processo de drenagem, e da fase aprisionada em um processo de embebição. A avaliação do campo de velocidade da fase injetada trouxe maior clareza sobre o comportamento do fluido não-molhante e o motivo pelo qual ocorre o aprisionamento do fluido molhante no menor canal da geometria. Os resultados mostraram também que para um escoamento bifásico em que o fluido molhante é mais viscoso do que o fluido não-molhante, não é possível remover o fluido aprisionado no canal menor apenas elevando o número capilar. Os ensaios em que foram obtidos campos de velocidade da fase aprisionada contribuíram para o entendimento dos fenômenos que ocorrem na interface dos fluidos sob as condições avaliadas e enfatizaram a importância da molhabilidade e da viscosidade no comportamento dos fluidos, uma vez que foram obtidos resultados inéditos para a condição de molhabilidade intermediária.

Abstract: In order to advance the knowledge of two-phasic flows in porous media, an experimental technique is used that has been gaining considerable space in several research areas due to its great versatility in terms of the data generated. The technique called Particle Image Velocimetry (PIV) is suitable for the study of geometries that have uncertainties regarding the behavior of fluids during their flow, as is the case of the pore dublet model. This is due to the fact that it is a less intrusive optical technique that allows to simultaneously monitor the entire speed field of the region of interest. In this work, µPIV recordings were made in monophasic and two-phasic flows. Single-phase experiments in a microchannel with a rectangular section of only 100 µm in width and 32 µm in depth were performed to compare the data generated by the µPIV technique to those obtained with the analytical solution of Hagen-Poiseuille. To validate the use of the technique and the experimental procedure, tests were also carried out with the pore dublet model in order to obtain the velocity field for a single-phase flow and compare them to a numerical simulation. Subsequently, analyzes were made for two-phasic flow in a pore dublet model, where the velocity field of the injected phase in a drainage process and of the trapped phase in an imbibition process were evaluated. The evaluation of the velocity field of the injected phase brought greater clarity about the behavior of the non-wetting fluid and the reason why the wetting fluid is trapped in the smallest geometry channel. The results also showed that for a two-phase flow in which the wetting fluid is more viscous than the non-wetting fluid, it is not possible to remove the fluid trapped in the smaller channel just by increasing the capillary number. The tests in which trapped phase velocity fields were obtained contributed to the understanding of the phenomena that occur at the fluid interface under the conditions evaluated and emphasized the importance of wettability and viscosity in the behavior of fluids, since unprecedented results were obtained for the condition of intermediate wettability.