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Título: Modelagem matemática e numérica para inicialização do escoamento em golfadas de gás-líquido
Autor(es): Conte, Marco Germano
Orientador(es): Morales, Rigoberto Eleazar Melgarejo
Palavras-chave: Escoamento bifásico
Dinâmica dos fluidos
Gás - Escoamento
Two-phase flow
Fluid dynamics
Gas flow
Data do documento: 22-Abr-2013
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Curitiba
Referência: CONTE, Marco Germano. Modelagem matemática e numérica para inicialização do escoamento em golfadas de gás-líquido. 2013. 114 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2013.
Resumo: O escoamento bifásico em golfadas está presente em diversos processos industriais, entre eles a exploração e transporte do petróleo. Ele se caracteriza pelo escoamento de um pistão de líquido com grande quantidade de movimento seguido por uma bolha de gás compressível. A repetição destas estruturas ocorre de forma intermitente. Nas últimas décadas, surgiram alguns modelos para a simulação deste tipo de escoamento complexo, como os modelos Eulerianos de dois fluidos e drift flux, e Lagrangeano de seguimento de pistões (slug tracking). Este último se destacou por ser menos dispendioso computacionalmente e pela viabilidade da simulação de longas distâncias, pois não depende da malha. Porém, ele exige condições iniciais bem definidas na entrada da tubulação. Neste contexto, no presente trabalho, desenvolveu-se uma metodologia lagrangeana para monitorar e acompanhar o processo de iniciação do escoamento em golfadas para tubulações horizontais e levemente inclinadas de modo autônomo. Partindo-se do modelo de dois fluidos com aproximação unidimensional, as equações de conservação da massa e balanço de quantidade de movimento foram simplificadas, desacoplando-se o movimento gerado pela pressão dinâmica do gás sobre os pistões do movimento lento do líquido abaixo do gás. O sistema de equações resultante para o domínio de gás foi discretizado utilizando-se o método de diferenças finitas e resolvido através do algoritmo TDMA. O movimento do líquido sob as bolhas foi modelado de modo semelhante às equações de águas rasas (shallow water equations). Um programa computacional na linguagem Intel Visual Fortran foi desenvolvido para simular o processo de iniciação do escoamento em golfadas, a partir do escoamento estratificado líquido-gás. O crescimento das ondas na interface líquido-gás foi monitorado numericamente até o surgimento do pistão. Foram realizadas simulações numéricas, para diferentes condições de vazão de líquido-gás, com a finalidade de avaliar a capacidade do modelo de gerar pistões. Os resultados obtidos apresentaram coerência e com potencial para ser utilizado como uma ferramenta para a inicialização e simulação do escoamento em golfadas.
Abstract: Many industrial processes like oil transportation in pipelines operate on two-phase flow regime, especially in slug flow pattern. The slug flow is characterized by the intermittent succession of liquid slugs, which have a large momentum, followed by long bubbles of compressible gas. The slug flow has been a topic of research in the last decades; however, there are few mathematical models for this complex flow. One can list the Eulerian two-fluid and drift flux, and the Lagrangian slug-tracking. The slug-tracking model is less computationally expensive and allows the simulation of long pipes, since it is not mesh dependent. However, it requires well-defined initial conditions at the pipe inlet. In this context, a Lagrangean methodology to capture the process of slug initiation is presented in this work for horizontal and near horizontal pipes. Starting from one dimensional two-fluid model, the equations of momentum and mass conservation were simplified. The motion generated by the dynamic pressure of the gas was decoupled of the slow movement of the liquid film. The system of equations resulting for the gas domain was discretized using the method of finite differences and solved with the TDMA algorithm. The liquid motion in the bubbles was then modeled by a modified version of shallow water equations. A software was developed using Intel Visual Fortran language to simulate the process of slug initiation on a gas-liquid stratified flow. The waves growth in the liquid-gas interface was monitored numerically until one of them reach the top of pipe and form a slug. Numerical simulations were performed for different flow conditions of liquid-gas, in order to evaluate the model ability to generate slugs. The results showed consistency and have potential to be used as a tool for initialization and simulation of slug flow.
URI: http://repositorio.roca.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/6157
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