Método dos volumes finitos

Todas as atividades desenvolvidas até hoje no SINMEC utilizaram o método de volumes finitos, por esta razão pode-se dizer que é a principal linha de pesquisa do laboratório. Inicialmente os trabalhos eram desenvolvidos em malhas cartesianas, onde os domínios eram retângulos em 2D e paralelepípedos em 3D, avançando para malhas em coordenadas curvilíneas (boundary-fitted) que se ajustam às fronteiras do domínio. No entanto, as malhas em coordenadas curvilíneas possuem alguns inconvenientes, como por exemplo, a dificuldade em determinar os fluxos nas faces dos volumes de controle, dificultada pela não ortogonalidade da malha. Nos desenvolvimentos atuais, visando a utilização de malhas mais flexíveis e gerais que se adaptem com facilidade aos diferentes domínios de cálculo, o laboratório SINMEC passou a empregar malhas não estruturas formadas por elementos triangulares e quadrangulares em 2D além tetraedros, prismas, pirâmides e hexaedros em 3D. Para a utilização dessas malhas, emprega-se a formulação do método de volumes finitos baseado em elementos (EbFVM) onde os volumes de controle são construídos ao redor de cada vértice da malha.

Simulação de reservatórios de petróleo

A simulação de reservatórios é uma importante ferramenta empregada para aumentar a eficiência da recuperação do petróleo disponível no reservatório, já que a experimentação nos campos petrolíferos é uma tarefa extremamente árdua. A experiência do laboratório SINMEC na simulação de reservatórios de petróleo data do início da década de 1990, através de projetos desenvolvidos em parceria com a Petrobras. O primeiro simulador desenvolvido pelo SINMEC considerava o emprego de malhas curvilíneas generalizadas e contava com uma interface gráfica amigável e um núcleo numérico e computacional avançado para a época. Mais recentemente, no âmbito da Rede Temática de Simulação de Reservatórios (SIGER), o SINMEC desenvolveu projetos de pesquisa e desenvolvimento cujos objetivos foram a aplicação de malhas não estruturadas à simulação de reservatórios de petróleo e o desenvolvimento de metodologias numéricas para discretização de modelos de escoamento em malhas poliédricas. Ainda dentro das redes temáticas, agora da Rede de Tecnologia de Poços da Petrobras (REDEP), o laboratório desenvolveu um simulador que considera o acoplamento entre o poço e o reservatório. O software se encontra disponível para uso no dia a dia dos engenheiros de petróleo da Petrobras.

Desenvolvimento de ferramentas computacionais

Ao longo de suas atividades de pesquisa, ensino e extensão, o laboratório SINMEC entregou para a comunidade acadêmica, e para as empresas parceiras, diversos softwares e bibliotecas computacionais. A contribuição do SINMEC na área acadêmica é notória, através do desenvolvimento de softwares educativos que vêm a auxiliar o ensino e o aprendizado nas áreas de transferência de calor, mecânica dos fluidos e introdução à simulação de reservatórios de petróleo. Dentre estes softwares pode-se destacar o CFD SinFlow, o Griffin e o Transcal. O download do CFD Sinflow é feito diariamente por pessoas do mundo inteiro, o aplicativo Griffin pode ser empregado por alunos e até engenheiros para o treinamento na simulação de reservatórios e o Transcal chegou a receber do MEC o prêmio de melhor software educativo do Brasil do ano de 1998. Com o objetivo de desenvolver conhecimentos e metodologias numéricas para a solução de problemas de engenharia, o SINMEC procura desenvolver softwares e bibliotecas que possam auxiliar as empresas parceiras no desenvolvimento de seus processos e produtos. Neste sentido foram desenvolvidos o software WellRes, capaz de simular o escoamento tridimensional multifásico em reservatórios de petróleo e trifásico no interior dos poços, e a Biblioteca EFVLib, destinada a servir de apoio na implementação de simuladores numéricos em malhas não estruturadas que utilizem o método EbFVM. 

Escoamentos multifásicos

Escoamentos multifásicos são encontrados nas mais diversas áreas da indústria. Sistemas de conversão de energia, indústria química, siderúrgica e de petróleo são alguns dos exemplos mais comuns onde os escoamentos multifásicos são encontrados. Nesta última, em particular, os escoamentos de duas ou mais fases são mais comumente encontrados que os próprios escoamentos monofásicos. É também na indústria do petróleo que o desenvolvimento desta linha de pesquisa no laboratório SINMEC tem seu foco. O objetivo é desenvolver pesquisas fundamentais em escoamentos multifásicos que possam dar suporte às simulações numéricas, uma vez que a modelagem física destes escoamentos depende fortemente de subsídios experimentais, em função da complexidade envolvida. Sendo assim, dentro desta linha de pesquisa, o laboratório SINMEC desenvolve tanto as atividades experimentais quanto as numéricas. Recentemente, através da rede temática da Petrobras, a de Simulação em Processos e Refino, o SINMEC adquiriu um moderníssimo laboratório para a medição de características dos escoamentos multifásicos. O laboratório multifásico possui equipamentos para medição de campos de velocidade a laser, por imagens de partículas e com diversas câmeras de alta resolução para realizar filmagens dos escoamentos.

Geomecânica

Esta é a mais recente linha de pesquisa do laboratório e teve sua motivação no desenvolvimento de simuladores de reservatórios de petróleo mais acurados, visando obter resultados que envolvam toda a física encontrada neste tipo de problema. A simulação de reservatórios de petróleo costuma ser realizada através da solução do escoamento em um meio poroso. No entanto, sabe-se que o comportamento estrutural dos reservatórios influencia na produção, tendo em vista que extração do petróleo ocasiona mudanças nas propriedades do meio. Assim, diversos estudos para o desenvolvimento de métodos de acoplamento entre o escoamento no meio poroso e a geomecânica do meio vêm sendo realizados no laboratório SINMEC. Os primeiros trabalhos realizados em malhas cartesianas mostraram-se bastante encorajadores. Deve-se destacar ainda a importância de se ter utilizado o mesmo método e tipo malha para resolver ambos os problemas, escoamento no meio poroso e geomecânica, facilitando a solução numérica do acoplamento. Atualmente, os esforços estão concentrados na solução em malhas não estruturadas utilizando o método dos volumes finitos baseado em elementos.

Aerodinâmica

Temos uma razoável experiência na área de Aerodinâmica, com trabalhos na década de 90 com o IAE/CTA (Instituto de Aeronáutica e Espaço/ Centro técnico de Aeronáutica) para o desenvolvimento de esquemas numéricos para escoamentos subsônicos e supersônicos. Importantes contribuições foram realizadas neste período com a criação de novos métodos para escoamentos de qualquer velocidade. Desenvolvemos um modelo termodinâmico para cálculo do crescimento de gelo em perfis aerodinâmicos para a Embraer. Além do produto, um software utilizado pela Embraer, desenvolvimentos fundamentais importantes foram realizados. É frequente a solicitação de nossos artigos de crescimento de gelo por pesquisadores internacionais, pois trata-se de um tema bastante restrito às fabricantes de aeronaves.