Simulação de fluidos em um meio poroso através de autômatos celulares de gás na rede

Abstract

Neste trabalho, investigamos o escoamento de dois fluidos imiscíveis em meios porosos bidimensionais através de simulação computacional de autômatos celulares de gás na rede. Este tipo de autômata é capaz de reproduzir o comportamento da equação de Navier-Stokes junto com a equação de Laplace para o caso de dois fluidos imiscíveis e, sem aumentar o tempo computacional, consegue implementar condições de contorno complexas. Uma pequena modificação nos posibilita simular o escoamento numa célula de Hele-Shaw, ou seja, um escoamento bidimensional regido pela lei de Darcy. Neste último caso, é possível fazer com que os fluidos tenham viscosidades diferentes e observar alguns dos vários comportamentos possíveis como, por exemplo, a formação do dedo de Saffman-Taylor. O meio poroso foi modelado de duas maneiras. Numa primeira abordagem, blocos formados por quadrados e dispostos de maneira aleatória foi empregado. Neste meio, fizemos escoar um único fluido, regido pela equação de Navier-Stokes do ponto de vista mesoscópico, e obtivemos a lei de Forchheimer do ponto de vista macroscópico, ou seja, quando fazíamos uma média da velocidade hidrôdinâmica em uma região que englobava toda a rede considerada. Esta lei é uma generalização da lei de Darcy. Este resultado já foi obtido pela literatura porém empregando um tipo diferente de modelo para o meio poroso. Posteriormente, numa segunda abordagem, realizamos a simulação de uma célula de Hele-Shaw, com contas circulares fixas de raio variável, posicionados de maneira aleatória. Aqui fizemos escoar dois fluidos imiscíveis e nos concentramos na evolução da rugosidade da interface formada entre eles. Qualitativamente, observamos que quando um fluido menos viscoso invade um de maior viscodidade formam-se dedos, como o esperado. Na situação inversa, há uma pequena rugosidade, porém fortemente determinada pela desordem do meio. Quando os dois fluidos têm a mesma viscosidades, desenvolve-se uma rugosidade fracamente determinada pelos obstáculos o qual satura em torno de um valor médio. Quantitativamente, observamos a existência de leis de escalas e estimamos o expoente da rugosidade, a 0, 53, e o expoente de crescimento b, que se encontra no intervalo 0,6-0,8. O expoente da rugosidade é próximo aos previstos pelas equaçôes de Edwards-Wilkinson e de Kardar-Parisi-Zhang, porém o expoente de crescimento se distancia, mas as estimativas estão em concordância com diversos resultados experimentais