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http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/10582| Título: | Simulação numérica do escoamento bifásico deb líquido-gás em um rotor plano |
| Título(s) alternativo(s): | Numerical simulation of a liquid-gas two-phase flow in a plane rotor |
| Autor(es): | Kashiwakura, Lucas Yuji |
| Orientador(es): | Morales, Rigoberto Eleazar Melgarejo |
| Palavras-chave: | Bombas centrífugas Escoamento bifásico Métodos de simulação Fluidodinâmica computacional Rotores - Dinâmica Engenharia mecânica Centrifugal pumps Two-phase flow Simulation methods Computational fluid dynamics Rotors - Dynamics Mechanical engineering |
| Data do documento: | 13-Dez-2018 |
| Editor: | Universidade Tecnológica Federal do Paraná |
| Câmpus: | Curitiba |
| Citação: | KASHIWAKURA, Lucas Yuji. Simulação numérica do escoamento bifásico deb líquido-gás em um rotor plano. 2018. 110 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Mecânica) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2018. |
| Resumo: | Escoamentos bifásicos de líquido-gás são frequentemente encontrados nas indústrias petrolífera e nuclear. No caso da indústria petrolífera, as bombas centrífugas são utilizadas como uma das técnicas de elevação artificial de petróleo, tendo como desafio a sua utilização no cenário da produção de petróleo em águas profundas. Sabe-se que a presença de gás no interior da bomba, pode causar uma redução abrupta do desempenho do equipamento, podendo em casos mais críticos causar o bloqueio do escoamento no rotor. Deste cenário parte a motivação para o desenvolvimento de um estudo numérico para realização de uma análise do escoamento bifásico de líquido-gás no interior rotor. Para a modelagem desta problema de alta complexidade adotou-se o Modelo Euler-Euler de dois fluidos como base para representação do escoamento bifásico líquido-gás, considerando seus efeitos interfaciais, como quebra e coalescência de bolhas, e aliando ainda o modelo polidisperso de múltiplos grupos dimensionais (MUSIG) a sua abordagem. A solução numérica é obtida através do programa de Dinâmica de Fluidos Computacional - Ansys® CFX®, que utiliza o Método dos Volumes Finitos baseado em elementos. Utilizou-se uma geometria simplificada de um rotor plano radial e simétrico, com o qual foram levantadas curvas de desempenho para um escoamento água-ar com vazões mássicas de gás de 0,06; 0,12 e 0,18 kg/h, velocidades de rotação entre 200 e 500 rpm e vazões de líquido normalizadas pela vazão de projeto variando entre 0,2 e 2,6. O modelo numérico utilizado foi capaz de prever satisfatoriamente a queda de desempenho da bomba, destacando-se, principalmente, os resultados obtidos para baixas vazões mássicas de gás. Observou-se uma tendência a superestimar os valores de incremento de pressão a partir do ponto de inversão. Apesar disso, o modelo foi capaz de prever corretamente a região de inversão das curvas, ainda que quantitativamente os resultados tenham apresentados grandes desvios. Qualitativamente, pode-se afirmar que a dinâmica do escoamento no interior do rotor foi reproduzida com sucesso, as imagens numéricas foram validadas junto as imagens experimentais obtidas por Stel (2018). Os efeitos de quebra e coalescência foram observados, bem como o aumento de quebra de bolhas em função das velocidades de rotação. Por fim, este trabalho contribui com a literatura através da análise detalhada dos resultados numéricos, na qual foram associadas as curvas de desempenho e dinâmica de escoamento no interior do rotor. Além de demonstrar a capacidade de reprodução de um escoamento bifásico e suas particularidades através do modelo de dois-fluidos. |
| Abstract: | Liquid-gas to flows are usually found into oil & gas and nuclear industries. In oil & gas industry, centrifugal pumps are used as one of the artificial elevation techniques, having as a challenge the implementation onto the oil production in deep-water. It is already known, that the presence of gas inside the pump, can cause a drastic reduction in the equipment's performance, and for critical cases it can even block the flow inside the rotor, which is named as gas locking. From these scenarios arises the motivation to develop a numerical study to analyze the liquid-gas flow inside the rotor. The modelling of this high-complexity problem was adopted an Euler-Euler model for two-phase flow, as a representation of the liquid-gas flow, considering its interfacial effects, as bubble's break and coalescence phenomenon, and also adding the polidisperse model of multiple dimensional groups (MUSIG) in its analysis. The numerical solution is acquired through the usage of Computational Fluid Dynamics program - Ansys® CFX®, which uses an element-based Finite Volume Method. A simplified geometry of a plane radial rotor is used to obtain the performance curves for a water-air flow for gas mass flow of 0,06; 0,12 and 0,18 kg/h, the rotation velocities between 200 and 500 rpm and liquid flow normalized by the design flow varying between 0,2 and 2,6. The adopted numeric model was able to predict the rotor performance drop, in which stand out the results for low mass flow. A tendency to overestimating the gain pressure values after the inversion point could be observed. In spite of it, the model was able to correctly predict the curve’s inversion region, even if the results present large values deviations. Qualitatively, it is possible to affirm that the two-phase flow dynamic was successfully reproduce, the numeric images were validated with the experimental images obtained by Stel (2018). Bubble breakage and coalescence effects were observed and also the increasing of the bubble breakage owing to the rotation velocities. Ultimately, this work contributes with the literature through the detailed numeric results analysis, in which were associated the performance curves e flow dynamic inside the rotor. And also by demonstrating the capacity of the Two-Fluid Model in reproduce a two-phase flow and its particularities. |
| URI: | http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/10582 |
| Aparece nas coleções: | CT - Engenharia Mecânica |
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