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Título: Simulação numérica com aproximação unidimensional para a análise do deslocamento de fluidos imiscíveis em tubulações horizontais
Título(s) alternativo(s): Numerical simulation with one-dimensional approximation for the analysis of the displacement flow of immiscible fluids in horizontal pipelines
Autor(es): Silva, Rafaella Casado
Orientador(es): Melgarejo Morales, Rigoberto Eleazar
Palavras-chave: Escoamento multifásico
Mecânica dos fluidos
Método de volumes finitos
Modelos matemáticos
Multiphase flow
Fluid mechanics
Finite volume method
Mathematical models
Data do documento: 27-Fev-2025
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Curitiba
Citação: SILVA, Rafaella Casado. Simulação numérica com aproximação unidimensional para a análise do deslocamento de fluidos imiscíveis em tubulações horizontais. 2025. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica e de Materiais) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2025.
Resumo: O deslocamento de fluidos líquido-líquido, denominado flushing, resume-se na substituição de um fluido em uma tubulação pela injeção de outro. O flushing é um método amplamente utilizado para limpeza de tubulações com o objetivo de prevenir bloqueios em linhas de produção, comumente causados pela formação de hidratos, parafinas ou corrosão. Esse processo é amplamente usado na remoção de produtos líquidos, pré-comissionamento, comissionamento, inertização e em operações de abandono destas linhas. Para aprimorar o processo de flushing, torna-se fundamental compreender a dinâmica da interface entre os fluidos e os padrões de escoamento. Dessa forma, parâmetros como velocidade de injeção, tempo de deslocamento total, fração volumétrica e pressão são importantes para a otimização do processo. Neste contexto, no presente trabalho desenvolveu-se um modelo matemático e numérico com aproximação unidimensional para simular o processo de deslocamento de fluidos imiscíveis em tubulações horizontais. A modelagem matemática baseou-se nas equações de conservação da massa e do balanço da quantidade de movimento, discretizadas através do Método dos Volumes Finitos. O sistema algébrico obtido foi resolvido utilizando o algoritmo TriDiagonal Matrix Algorithm (TDMA), enquanto o acoplamento entre pressão e velocidade foi tratado pelo esquema Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations Revised (SIMPLER). A implementação computacional foi desenvolvida no ambiente MATrix LABoratory (MATLAB®), demonstrando eficiência na resolução de problemas relacionados à dinâmica dos fluidos. O modelo desenvolvido neste trabalho possibilita ao usuário analisar dinamicamente o comportamento do deslocamento de fluidos imiscíveis por meio de representações gráficas, como vídeos ilustrativos, além de acessar gráficos detalhados que auxiliam no acompanhamento de variáveis-chave, como velocidade dos fluidos, fração volumétrica e pressão ao longo da tubulação durante a simulação. Além disso, o modelo permite a formulação de uma metodologia para otimizar o processo de flushing em tubulações horizontais, analisando o fator de injeção. Para verificar a consistência do modelo unidimensional, foram realizadas simulações numéricas de casos de deslocamento de água pela injeção de óleo diesel, utilizando os programas computacionais comerciais ANSYS CFX® e LedaFlow®. Além disso, o modelo foi comparado com dados experimentais disponíveis na literatura de casos de deslocamento de óleo mineral pela injeção de água. Os resultados demonstraram que o modelo foi capaz de representar o comportamento do deslocamento de fluidos imiscíveis de forma consistente permitindo prever, de maneira aproximada, a eficiência do processo de limpeza das tubulações.
Abstract: The displacement of liquid-liquid fluids, referred to as flushing, consists of substituting one fluid within a pipeline by injecting another. Flushing is a widely utilized pipeline cleaning method aimed at preventing blockages in production lines, which are commonly caused by hydrate formation, paraffin deposition, or corrosion. This procedure is extensively employed in removing liquid products, pre-commissioning, commissioning, inertization, and pipeline abandonment operations. To enhance the flushing process, it is crucial to understand the dynamics of the fluid interface and flow patterns. Consequently, parameters such as injection velocity, total displacement time, volumetric fraction, and pressure become significant for process optimization. In this context, this research presents the development of a one-dimensional mathematical and numerical model designed to simulate the displacement of immiscible fluids in horizontal pipelines. The mathematical modeling was based on the mass conservation and momentum balance equations, discretized using the Finite Volume Method (FVM). The resulting algebraic system was solved employing the TriDiagonal Matrix Algorithm (TDMA), while the coupling between pressure and velocity was addressed using the Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations Revised (SIMPLER) scheme. The computational implementation was conducted in the MATrix LABoratory (MATLAB®) environment, showcasing its effectiveness in solving fluid dynamics-related problems. The model developed in this study enables users to dynamically analyze the behavior of immiscible fluid displacement through graphical representations, including illustrative videos and detailed plots that track key variables such as fluid velocity, volumetric fraction, and pressure along the pipeline during the simulation. Furthermore, the model facilitates the formulation of methodologies to optimize flushing processes in horizontal pipelines by analyzing the injection factor. To verify the consistency of the one-dimensional model, numerical simulations of cases involving water displacement by diesel oil injection were performed using commercial computational software packages ANSYS CFX® and LedaFlow®. Additionally, the model results were compared with experimental data from the literature involving mineral oil displacement through water injection. The outcomes demonstrated that the developed model consistently represented the behavior of immiscible fluid displacement, providing approximate predictions for pipeline cleaning efficiency.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/37431
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