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Título: Modelagem matemática do processo de mudança de fase de materiais semissólidos
Título(s) alternativo(s): Mathematical modeling of the phase change process in semisolid material
Autor(es): Barbara, Denis Barbosa
Orientador(es): Negrão, Cezar Otaviano Ribeiro
Palavras-chave: Transformações de fase (Física estatística)
Solidificação
Oleodutos de petróleo
Cristalização
Modelos matemáticos
Phase transformations (Statistical physics)
Solidification
Petroleum pipelines
Crystallization
Mathematical models
Data do documento: 19-Jun-2024
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Curitiba
Citação: BARBARA, Denis Barbosa. Modelagem matemática do processo de mudança de fase de materiais semissólidos. 2024. Trabalho de Conclusão de Curso (Bacharelado em Engenharia Mecânica) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2024.
Resumo: Durante paradas na produção de petróleo em plataformas offshore, decorrentes de manutenção programada ou paradas emergenciais, há confinamento de petróleo na tubulação. Devido à temperatura mais baixa da região marinha em comparação ao petróleo, desencadeia-se um processo de transferência de calor. À medida que o petróleo atinge a temperatura inicial de aparecimento de cristais, cristais de parafina começam a se precipitar. A partir de uma determinada concentração de parafinas sólidas, o petróleo gelifica. Este fenômeno é acompanhado por uma contração volumétrica, o que pode resultar na formação de espaços vazios. A presença de espaços vazios influencia as propriedades mecânicas do material, fazendo com que considerações como tensão de escoamento uniforme e material incompressível se tornem inválidas. O presente trabalho tem como objetivo a modelagem matemática e a implementação numérica de um processo de mudança de fase. Bem como a avalição de diferentes parâmetros numéricos e condições de contorno no perfil de solidificação final. A implementação numérica foi realizada através do software comercial Ansys Fluent, utilizando os métodos de VOF e entalpia-porosidade. É apresentada uma análise dos efeitos da tensão superficial. Um valor adequado para o parâmetro de porosidade é determinado. Os efeitos da taxa de resfriamento no perfil de solidificação final são investigados. Uma breve discussão sobre o escoamento do fluido durante a solidifica- ção é incluída. Por fim, conclui-se que o modelo conseguiu capturar de maneira satisfatória tanto o processo de solidificação quanto a interface entre a parafina e o ar.
Abstract: During production shutdowns on offshore oil platforms, whether due to scheduled maintenance or emergency stops, oil becomes confined within the pipeline. The lower temperature of the marine environment compared to the oil triggers a heat transfer process. As the oil reaches the initial crystallization temperature, paraffin crystals begin to precipitate. Once a certain concentration of solid paraffin is reached, the oil gelifies. This phenomenon is accompanied by volumetric contraction, which can result in the formation of voids. The presence of voids influences the mechanical properties of the material, rendering assumptions such as uniform yield stress and incompressible material invalid. This study aims to develop a mathematical model and implement a numerical simulation of a phase change process. It also seeks to evaluate different numerical parameters and boundary conditions on the final solidification profile. The numerical implementation was performed using the commercial software Ansys Fluent, employing the VOF and enthalpy-porosity methods. An analysis of the effects of surface tension is presented. An appropriate value for the porosity parameter is determined. The effects of the cooling rate on the final solidification profile are investigated. A brief discussion on fluid flow during solidification is included. Finally, it is concluded that the model successfully captured both the solidification process and the interface between the paraffin and the air.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/38199
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