ESCOAMENTO DE FLUIDO DE PERFURAÇÃO ATRAVÉS DE UM CANAL PARCIALMENTE POROSO HETEROGÊNEO UTILIZANDO A TÉCNICA LBM 1 Rodrigo E. da C. P. de Meira, 1 Fernando C. De Lai, 1 Cézar O. R. Negrão, 1 Silvio L. de M. Junqueira 1 Centro de Pesquisas em Reologia e Fluidos Não Newtonianos – CERNN, Universidade Tecnológica Federal do Paraná – UTFPR, Curitiba-PR 80230-901, Brasil, e-mail: [email protected], [email protected], [email protected], [email protected] RESUMO - Durante a perfuração de poços de petróleo o fluido utilizado no processo, caracterizado por uma reologia complexa, percorre o espaço anular interagindo constantemente com a formação rochosa, podendo percolar a formação através da interface fluido-porosa presente entre o espaço anular e a formação. Neste trabalho, propõe-se o estudo numérico do escoamento de fluido não newtoniano para os modelos de lei de potência e de Bingham, considerando um canal parcialmente preenchido por meio poroso no qual se faz presente uma região de interface entre os domínios fluido e poroso. Para o presente estudo, o domínio poroso é representado de forma simplificada através de obstáculos sólidos distribuídos de forma uniforme na parte inferior do canal. Este modelo é denominado na literatura como contínuo ou heterogêneo e consiste basicamente em duas fases contínuas, uma sólida e outra fluida, representando uma escala microscópica da ordem de grandeza dos poros. A modelagem numérica das equações associadas ao problema é feita através do método lattice Boltzmann (LBM), no qual o fluido é considerado em uma escala mesoscópica como um conjunto de partículas em constante movimentação que interagem entre si através de colisões. A percolação do fluido no meio poroso é caracterizada através da razão entre as vazões nos domínios poroso e livre do canal e dos perfis de velocidade na região da interface fluido-porosa. Palavras-Chave: LBM, fluido não newtoniano, interface fluido-porosa. INTRODUÇÃO O fluido de perfuração se caracteriza por uma reologia complexa, associada aos diversos papéis que desempenha durante o processo de perfuração, podendo-se destacar o aumento da viscosidade a baixas taxas de cisalhamento, tornando a remoção dos cascalhos do fundo do poço para a superfície mais eficiente, e a redução da viscosidade a altas taxa de cisalhamento, reduzindo as pressões de bombeio. Em geral, o comportamento dos fluidos de perfuração é representado matematicamente através de modelos de fluido pseudoplástico ou viscoplástico (Darley e Gray, 1988). Durante o processo de perfuração de poços de petróleo, o fluido de perfuração percorre o espaço anular interagindo com a formação rochosa exposta pela ação da broca e em função das características da formação (e.g., permeabilidade, porosidade) e das condições de circulação do poço (e.g., pressão, vazão) pode haver a percolação do fluido de perfuração na formação. A caracterização deste fenômeno depende da modelagem adequada da interface fluido-porosa que delimita a separação entre a formação e o espaço anular, a qual, de acordo com a literatura, pode ser analisada em três escalas distintas: micro, meso ou macroscópica (Chandesris e Jamet, 2007). Em um nível de resolução microscópico, o qual é utilizado neste trabalho, as fases sólida e fluida do meio poroso são distinguíveis (modelo contínuo ou heterogêneo) e o escoamento tanto no domínio fluido quanto no poroso é resolvido pelo mesmo conjunto de equações. Já para as escalas meso e macroscópicas, o meio poroso é representado por um meio equivalente obtido através da técnica da média volumétrica (Whitaker, 1999), de modo que os detalhes geométricos do meio poroso são ignorados (modelo poro-contínuo ou homogêneo). No caso mesoscópico, considera-se uma região de transição entre os meios fluido e poroso na qual as propriedades (e.g., porosidade e permeabilidade) variam de forma contínua de um meio poroso para um meio fluido. Já na escala macroscópica, as propriedades são descontínuas na interface fluido-porosa, a qual é definida através de uma ou mais condições de contorno que acoplam os conjuntos de equações modelando os escoamentos nos domínios fluido e poroso. O estudo do escoamento junto à interface fluido-porosa tem sido bastante explorado na literatura para fluidos newtonianos, sendo a investigação e análise da modelagem da interface fluido-porosa a principal questão analisada (Beavers e Joseph, 1967; Ochoa-Tapia e Whitaker, 1995; Meira et al., 2014). Já a investigação do escoamento de fluidos não newtonianos em meios parcialmente porosos ainda é escassa na literatura. Chen et al. (2009) utilizam o método lattice Boltzmann para simular o escoamento de um fluido de lei de potência em um canal parcialmente preenchido por um meio poroso homogêneo. Os autores verificam que a velocidade de deslizamento na interface fluidoporosa e a penetração dos efeitos viscosos no meio poroso são tanto maiores quanto maior o índice de lei de potência do fluido. Corroborando os resultados de Chen et al. (2009), Martins-Costa et al. (2013), verificam, através da teoria de misturas, que o crescimento do índice de lei de potência induz um aumento da vazão volumétrica através da região porosa. Avinash et al. (2013) estudaram de forma analítica o escoamento de fluido de Bingham em um tubo cônico de paredes porosas, representadas pelo modelo de Beavers e Joseph (1967), verificando que o crescimento da tensão limite de escoamento do fluido provoca o aumento da velocidade de deslizamento nas paredes permeáveis, bem como da espessura da região não cisalhada formada na parte central do tubo, a qual tem sua velocidade reduzida. Neste trabalho, propõe-se complementar estes estudos, através da análise do escoamento de fluido não newtoniano (modelos de lei de potência e de Bingham) junto à interface entre um domínio fluido e outro poroso utilizando o método lattice Boltzmann. A principal diferença consiste na abordagem microscópica da interface fluidoporosa. Para tanto, investiga-se o escoamento em um canal parcialmente poroso, no qual o meio poroso é caracterizado de forma heterogênea através de obstáculos sólidos distribuídos uniformemente na parte inferior do canal. Os resultados obtidos mostram as verificações do modelo numérico para o escoamento de fluido não newtoniano em canal livre e do escoamento em canal parcialmente poroso de fluido newtoniano, avaliando-se a distribuição de vazão entre as regiões livre e porosa do canal em função das características do meio poroso. FORMULAÇÃO DO PROBLEMA A Figura 1 apresenta a geometria e as condições de contorno utilizadas para a modelagem numérica da percolação do fluido de perfuração na formação. p ref p u1 u2 0 pref Interface fluido-porosa hrl Matriz N×N h hrp d d x2 , u 2 u1 u2 0 x1 , u1 L D D Figura 1 – Geometria e condições de contorno do escoamento em canal parcialmente poroso. O canal possui comprimento L e altura h = hrp + hrl, sendo hrp e hrl, respectivamente, as alturas da região porosa e livre. Em x2 = hrp considera-se a interface entre as regiões porosa e livre. Os blocos, quadrados de lado D uniformemente espaçados por uma distância d, são dispostos em forma de matrizes N×N repetidas ao longo de todo o comprimento canal. O escoamento é promovido por um gradiente de pressão uniforme Δp/L ao longo da direção x1. Sobre as paredes do canal e a superfície dos blocos a velocidade do escoamento é nula (condição de não deslizamento). Hipóteses e equações de balanço O escoamento é representado pelas equações de conservação da massa e da quantidade de movimento, sendo consideradas as hipóteses de escoamento em regime permanente e bidimensional, fluido incompressível e desprezada a ação da força gravitacional, obtendo-se, respectivamente: u 0 x u (1) u p x x x (2) sendo ρ a massa específica do fluido, uα a velocidade do escoamento, p a pressão e ταβ o tensor tensão, o qual é expresso pela equação constitutiva do fluido. No caso do modelo de lei de potência tem-se (Bird et al., 2002): c n 1 e a viscosidade aparente ηa,Pa expressa como: a , Pa P 0 n 1 e p (9) sendo np o parâmetro responsável pelo aumento da viscosidade aparente do fluido à medida que a taxa de cisalhamento é reduzida. Em função do ajuste de np, o modelo de Papanastasiou (1987) se torna uma representação do modelo de Bingham. (3) MODELAGEM NUMÉRICA sendo ηc o índice de consistência, n o índice de lei de potência e a magnitude do tensor taxa de cisalhamento , calculado por: 1 2 (4) A viscosidade aparente de um fluido de lei de potência ηa,lp, definida como a razão ταβ / , é: a ,lp c n 1 (5) A equação constitutiva para o fluido de Bingham é dada pela seguinte expressão (Bird et al., 2002): 0 p p/ 0 0 p/ 0 (6) sendo τ0 a tensão limite de escoamento e ηp a viscosidade plástica do fluido. A viscosidade aparente do fluido de Bingham ηa,Bi é dada por: a , Bi 0 p (7) Devido à singularidade apresentada pelas Equações 6 e 7 para tendendo a zero, torna-se conveniente utilizar o modelo de regularização proposto por Papanastasiou (1987) para a representação do modelo de Bingham, no qual a equação constitutiva do fluido é dada por: n P 0 1 e p (8) A solução do escoamento é obtida através do LBM (Guo e Shu, 2013), um método numérico baseado em uma análise mesoscópica do fluido para a simulação de escoamentos e outros fenômenos físicos. Nesta escala, o fluido é considerado em uma escala intermediária entre um meio contínuo e um conjunto de partículas individuais, sendo tratado de forma estatística através de funções distribuição de velocidade f( x , c , t), que representam o número provável de partículas localizadas espacialmente entre x e x dx , com velocidade entre c e c dc no instante de tempo t. As partículas estão em constante movimentação e interagem entre si através de colisões. Neste trabalho, utiliza-se o modelo incompressível de He e Luo (1997) aplicado ao modelo de discretização bidimensional D2Q9 (Qian et al., 1992), no qual o domínio de solução é representado por uma rede regular de nós interligados na qual as partículas se deslocam ao longo de direções pré-definidas i com velocidade ci , a saber: c0 = (0,0), c1 = (cref,0), c2 = (0,cref), c3 = (-cref,0), c4 = (0,-cref), c5 = (cref,cref), c6 = (-cref,cref), c7 = (-cref,-cref), c8 = (cref,-cref), com cref = Δx/Δt, sendo Δx a distância horizontal/vertical entre dois nós e Δt o intervalo de tempo entre duas colisões consecutivas. Os processos de deslocamento e colisão das partículas são realizados de acordo com a equação de transporte de Boltzmann, a qual é discretizada através do esquema upwind (Patankar, 1980), sendo desprezadas as ações de forças externas e considerando a aproximação BGK (Bhatnagar et al., 1954) para a representação das colisões: f i x ci t , t t t f i x , t fi eq x , t f i x , t (10) sendo fi a parcela de f associada à direção de deslocamento i e T o fator de relaxação de fi até o seu valor de equilíbrio fieq, dado por: c u c u 2 u u f i eq wi 0 i 2 i 4 2cs 2cs2 cs suficientemente baixo, Ma = uref /cs, sendo uref uma velocidade de referência do escoamento), os problemas simulados são adimensionalizados em relação a Δx, Δt e ρ0, cujos valores são convenientemente escolhidos (Succi, 2001). (11) RESULTADOS E DISCUSSÕES sendo ρ0 a massa específica inicial do fluido, wi a fração de partículas que se desloca na direção i, com w0 = 4/9, w1,2,3,4 = 1/9 e w5,6,7,8 = 1/36 e cs = cref / 3 a velocidade do som, definidos de acordo com o modelo D2Q9. A massa específica do fluido e a velocidade do escoamento são calculadas em função das funções distribuição, respectivamente, por: Os modelos do LBM para os fluidos de lei de potência e Bingham foram verificados através da análise do escoamento plenamente desenvolvido entre placas planas e paralelas, cujas soluções analíticas para o perfil de velocidades são apresentadas por (Bird et al., 2002). Para um fluido de lei de potência o perfil adimensional de velocidades é: x, t fi x, t (12) U1 u x , t fi x , t ci (13) 2n 1 n 1 n i i He e Luo (1997) mostram, através da análise de Chapman-Enskog (Chapman e Cowling, 1980), que o conjunto de Equações 10 – 13 aplicadas com o modelo D2Q9 representam as Equações de Navier-Stokes (Bird et al., 2002) para um fluido incompressível desde que sejam satisfeitas as seguintes relações: 1 c 0 2 2 s p c 2 s (14) (15) sendo μ a viscosidade dinâmica de um fluido newtoniano. Para que o LBM simule as Equações 1 e 2 considerando as equações constitutivas dos modelos de lei de potência, Equação 3, e de Papanastasiou (1987), Equação 8, basta substituir μ na Equação 14 pelas respectivas viscosidades aparentes, ηa,lp e ηa,Pa, definidas, respectivamente, pelas Equações 5 e 9, de modo que o fator de relaxação se torna uma função da taxa de cisalhamento (Rakotomalala et al., 1996; Tang et al., 2010). As condições de contorno utilizadas para a simulação do escoamento em canal parcialmente poroso, bem como dos problemas de verificação, são a condição de contorno periódica proposta por Liao e Jen (2008), na entrada e saída do canal, e de bounce-back entre nós (Guo e Shu, 2013), para a representação das paredes do canal e superfície dos blocos. Para atender aos critérios de estabilidade e precisão do LBM (T* = T/Δt suficientemente maior do que 0,5 e número de Mach do escoamento 2 n 1 n 1 X 2 (16) sendo U1 = u1/umed a velocidade adimensional, X2 = x2/h a posição adimensional na direção x2, com -1 < X2 < 1, umed a velocidade média do escoamento e 2h a altura do canal. O escoamento do fluido de Bingham é caracterizado pela presença de um núcleo não cisalhado na região central do canal, -Xp < X2 < Xp, com Xp = τ0 / (-dp/dx1). O perfil adimensional de velocidade é dado por: U1 C 1 X 22 2 Bi 1 X 2 p/ U1 U p C Bi 1 2 p/ X2 X p X2 X p (17) sendo C = 3/(Bi3-3Bi+2) uma constante, Up a velocidade adimensional do núcleo não cisalhado e Bi o número de Bingham definido como: Bi 0 h p x1 (18) Os resultados numéricos foram obtidos a partir de uma malha com 160 nós na direção x2 e Δt = Δx/k, com k = 16 para o fluido de lei de potência e k = 2048 para o fluido de Bingham, para o qual se utiliza np = 10s no modelo de Papanastasiou (1987). Em ambos os casos o número de Reynolds do escoamento, Relp e ReBi, é 100, sendo Relp e ReBi, respectivamente, o número de Reynolds para os fluidos de lei de potência e Bingham, definidos, respectivamente, por: 2n n uref lref Relp c (19) Re Bi uref lref p (20) com uref = umed e lref = 2h, sendo lref o comprimento de referência do escoamento. No caso do fluido de lei de potência, foram simulados escoamentos de fluidos com n = 0,2; 0,6; 0,8; 0,9 e 1,0. A Figura 2 apresenta a comparação entre os perfis de velocidade obtidos numericamente e através da Equação 16. O modelo numérico para fluido de lei de potência mostrou boa concordância com a solução analítica, sendo o maior erro percentual ε entre os perfis de velocidade da ordem de 1%, com ε calculado por: U 1 1,lbm 100% U 1,ana (21) sendo U1,ana e U1,lbm, respectivamente, velocidades analítica e numérica. Considerando o escoamento em canal parcialmente poroso, as análises são realizadas para matrizes de obstáculos 1×1, 2×2 e 3×3 e porosidades ϕ = 0,36; 0,64; e 0,84, sendo ϕ = Vf /Vt com Vf e Vt representando, respectivamente, os volumes de fluido e total do meio poroso. Nos casos simulados, a altura da região fluida é igual à da região porosa, hrf = hrp, e o gradiente de pressão Δp/L ajustado de modo que, considerando um canal livre de altura hrf, tenhase Re = 100, sendo Re o número de Reynolds para o escoamento de um fluido newtoniano, definido por: Re 1.0 as 0.5 X2 X2 0.5 -0.5 (22) com uref = umed e lref = hrf. 1.0 0.0 uref lref n = 1,0 - Analítico n = 1,0 - LBM n = 0,9 - Analítico n = 0,9 - LBM n = 0,8 - Analítico n = 0,8 - LBM n = 0,6 - Analítico n = 0,6 - LBM n = 0,2 - Analítico n = 0,2 - LBM 0.0 -0.5 -1.0 0.0 Bi = 0,0 - Analítico Bi = 0,0 - LBM Bi = 0,1 - Analítico Bi = 0,1 - LBM Bi = 0,2 - Analítico Bi = 0,2 - LBM Bi = 0,4 - Analítico Bi = 0,4 - LBM Bi = 0,8 - Analítico Bi = 0,8 - LBM 0.5 1.0 1.5 U1 -1.0 0.0 0.5 1.0 1.5 U1 Figura 2 – Perfis de velocidade para o fluido de lei de potência para n = 1,0; 0,9; 0,8; 0,6 e 0,2 com Relp = 100. Comparação entre as soluções analítica e numérica. Para o fluido de Bingham foram simulados escoamentos para Bi = 0,1; 0,2; 0,4 e 0,8. Neste caso, também se observa boa concordância entre os resultados numéricos e analíticos, sendo o maior valor de ε também da ordem de 1%. Os perfis de velocidade analítico, calculado conforme a Equação 17, e numérico para o escoamento do fluido de Bingham são comparados na Figura 3. Figura 3 – Perfis de velocidade para o fluido de Bingham para Bi = 0,0; 0,1; 0,2; 0,4 e 0,8 com ReBi = 100. Comparação entre as soluções analítica e numérica. A realização de testes preliminares determinou a configuração mais sensível à malha: ϕ = 0,36 e matriz de obstáculos 3×3. Para este caso, a realização do teste de sensibilidade à malha determinou a utilização de uma malha com 240 nós na direção x2, sendo a vazão através do meio poroso a variável de análise, a qual apresentou uma diferença percentual inferior a 1% com relação à malha com 480 nós. Os resultados apresentados a seguir mostram a influência das características do meio poroso heterogêneo (número de blocos e porosidade) sobre a distribuição de vazão volumétrica entre os domínios livre e poroso do canal, avaliada em termos de Qrl = qrl /qt e Qrp = qrl /qt, sendo qrl e qrp, respectivamente, as vazões volumétricas nas regiões livre e porosa do canal e qt = qrl + qrp a vazão volumétrica total no canal. A Figura 4 apresenta os valores Qrf e Qrp em função da porosidade para diferentes padrões de obstáculos. Constata-se que a variação da porosidade e do número de obstáculos altera a proporção entre as vazões Qrp e Qrf. O aumento da porosidade (para uma matriz de obstáculos fixa) ou a redução do número de obstáculos (para uma porosidade fixa) diminuem a resistência do meio poroso ao escoamento, implicando num aumento de Qrp e, consequentemente, na redução de Qrf. Em função da diferença de inclinação entre as curvas Qrp × ϕ, verifica-se que a influência da porosidade sobre as vazões Qrp e Qrf é mais pronunciada à medida que o número de obstáculos é reduzido. Este comportamento é justificado pelo fato de que, para um grande número de obstáculos, a complexidade geométrica do meio poroso é grande o suficiente para que a resistência ao escoamento seja pouco influenciada pela variação da porosidade. De modo semelhante, o efeito da variação do número de obstáculos é mais acentuado para maiores valores de porosidade, pois, para um baixo valor de porosidade, a fração volumétrica de sólido no meio poroso é tamanha, que a resistência ao escoamento proporcionada pelo aumento do número de obstáculos é pouco significativa. 1.0 0.8 Desta forma, no caso limite em que o número de obstáculos é muito alto (independentemente da porosidade) ou a porosidade é muito baixa (independentemente do número de obstáculos) o escoamento ocorre predominantemente pela região livre do canal, ou seja, Qrp → 0 e Qrf → 1. CONSIDERAÇÕES FINAIS Neste trabalho, o escoamento de fluido de perfuração no anular é modelado como o escoamento de fluido não newtoniano (modelos de lei de potência e Bingham) em canal parcialmente poroso heterogêneo, no qual o meio poroso é representado de forma simplificada através de obstáculos sólidos dispostos na metade inferior do canal. O escoamento de fluido de lei de potência e Bingham em canal livre são estudados como verificação do modelo numérico, apresentando boa concordância com a solução analítica do problema. Em seguida, o escoamento de fluido newtoniano em canal parcialmente poroso heterogêneo também é investigado, sendo verificada a distribuição da vazão entre os domínios livre e poroso do canal em função da modificação da permeabilidade do meio poroso, devido à variação da porosidade e do número de obstáculos do meio poroso. A próxima etapa do trabalho é realizar as simulações no canal parcialmente poroso para os fluidos de lei de potência e Bingham, analisando a influência do índice de lei de potência, da tensão limite de escoamento e da permeabilidade do meio poroso sobre a distribuição de vazão entre as regiões livre e porosa do canal e o perfil de velocidade do escoamento. Qrf 0.6 Qrf , Qrp Qrp AGRADECIMENTOS Matriz 1x1 0.4 Matriz 2x2 Matriz 3x3 0.2 0.0 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Os autores agradecem ao apoio do IRF/CENPES/PETROBRAS, ao programa PRHANP/MCT (PRH10-UTFPR), ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) e à Fundação de Apoio à Educação, Pesquisa e Desenvolvimento Científico e Tecno-lógico da UTFPR (FUNTEFPR). Figura 4 – Vazões adimensionais Qrf (linhas (linhas tracejadas), cheias) e Qrp respectivamente, nas regiões livre e porosa, em função da porosidade para diferentes matrizes de obstáculos (1×1, 2×2 e 3×3) com hrf = hrp. NOMENCLATURA Bi c ci Número de Bingham Velocidade das partículas Velocidade de fi [-] [m/s] [m/s] cref cs d D f fieq h hrl, hrp i lref L n np N×N p Δp pref qrf,qrf Qrf,Qrp Re t u U Up umed uref Vf Vt wi x X ε ϕ ρ ρ0 τ τ0 T ηc μ ηp Velocidade de referência de ci Velocidade do som Espaçamento entre obstáculos Lado dos obstáculos Função distribuição de velocidade Função de equilíbrio Altura do canal Altura das regiões livre e porosa do canal Direção de deslocamento Comprimento de referência Comprimento do canal Índice de lei de potência Parâmetro do modelo de Papanastasiou (1987) Matriz de obstáculos Pressão Diferença de pressão Pressão de referência Vazão volumétrica nas regiões fluida e porosa Vazão volumétrica adimensional nas regiões fluida e porosa Número de Reynolds Tempo Velocidade do escoamento Velocidade adimensional Velocidade adimensional do núcleo Velocidade média do escoamento Velocidade de referência Volume de fluido no meio poroso Volume total do meio poroso Fração do modelo D2Q9 Posição Posição adimensional Magnitude do tensor taxa de cisalhamento Tensor taxa de cisalhamento Erro percentual Porosidade Massa específica do fluido Massa específica inicial do fluido Magnitude do tensor tensão Tensão limite de cisalhamento Fator de relaxação do LBM Índice de consistência Viscosidade dinâmica Viscosidade plástica [m/s] [m/s] [m] [m] [kg/m3] [kg/m3] [m] [m] [-] [m] [m] [-] [s] [-] [Pa] [Pa] [Pa] [m3/s] [-] [-] [s] [m/s] [-] [-] [m/s] [m/s] [m3] [m3] [-] [m] [-] [s-1] [s-1] [-] [-] [kg/m3] [kg/m3] [Pa] [Pa] [s] [Pa.sn] [Pa.s] [Pa.s] REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS AVINASH, K.; RAO, J. 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