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Título: Simulação numérica do escoamento bifásico líquido-gás em uma bomba centrífuga radial
Título(s) alternativo(s): Numerical simulation of the two-phase liquid-gas flow in a radial centrigugal pump
Autor(es): Mendonza, Carlos Eduardo Ribeira Santa Cruz
Orientador(es): Morales, Rigoberto Elezar Melgarejo
Palavras-chave: Bombas centrífugas
Escoamento bifásico
Dinâmica dos fluidos
Fluidodinâmica computacional
Engenharia mecânica
Centrifugal pumps
Two-phase flow
Fluid dynamics
Computational fluid dynamics
Mechanical engineering
Data do documento: 30-Nov-2017
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Curitiba
Referência: MENDOZA, Carlos Eduardo Ribeiro Santa Cruz. Simulação numérica do escoamento bifásico líquido-gás em uma bomba centrífuga radial. 2017. 118 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Mecânica) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2017.
Resumo: Bombas centrífugas são comumente utilizadas no transporte ou circulação de uma mistura de fluidos. O bombeio centrífugo submerso se tornou o segundo método mais utilizado de elevação artificial de petróleo e gás natural. Por outro lado, ciclos de resfriamento estão constantemente sujeitos à evaporação do fluido de trabalho, caracterizando um escoamento bifásico especialmente crítico para a indústria nuclear. A presença de uma fase gasosa pode causar uma severa degradação no desempenho da bomba, um fenômeno chamado de surging. O gás passa a se acumular e ocupar grande parte dos canais do rotor, podendo inclusive interromper toda a operação. Nesse contexto, o presente trabalho tem como objetivo empregar a ferramenta de dinâmica de fluidos computacional Ansys® CFX® para reproduzir numericamente o desempenho e dinâmica de escoamento de bomba operando com líquido e gás. Mais especificamente, reproduzir dados e imagens experimentais obtidos em bomba centrífuga radial de mesma geometria. Os fluidos utilizados foram água e ar para levantar curvas de desempenho com velocidades de rotação entre 300 e 600 rpm, vazão de líquido normalizada pela vazão de projeto entre 0,2 e 1,5 e vazão mássica de ar constante. Empregou-se o modelo Euler-Euler de dois fluidos em conjunto com o modelo polidisperso MUSIG, que leva em conta mecanismos de quebra e coalescência para modelar a fase gasosa. O modelo numérico foi capaz de prever a queda no desempenho da bomba, porém superestimou a janela de operação da mesma, indicando queda de desempenho para menores vazões de líquido, quando comparada com o experimento. Os padrões de escoamento também foram reproduzidos com sucesso, os efeitos de quebra de bolhas no interior do rotor, assim como os de coalescência em determinadas regiões, se mostraram fundamentais na modelagem do fenômeno. O presente trabalho contribui com a literatura ao comparar detalhadamente o incremento de pressão e dinâmica de escoamento obtidos numericamente com dados experimentais e ao demonstrar a robustez da ferramenta e modelos utilizados, podendo servir como ponto de partida para estudos envolvendo outras condições operacionais e combinações de modelos.
Abstract: Centrifugal pumps are commonly used for transportation or circulation of fluid mixtures. Electrical Submersible Pumping became the second most used oil and natural gas artificial lift method. On the other hand, cooling cycles are often subject to fluid evaporation, resulting in a two-phase flow especially hazardous to the nuclear industry. The presence of a gaseous phase can lead to severe performance degradation, in a phenomenon called surging. The gas starts to accumulate and occupy most part of the impeller channels, being capable of shutting down the whole operation. Under this context, the present work aims to employ the Ansys® CFX® computational fluid dynamics tool to numerically reproduce the performance and flow dynamics of a pump operating liquid and gas. Specifically, reproduce experimentally obtained images and data that came from a centrifugal pump of same geometry. Water and air were used to obtain performance curves with rotating speed between 300 and 600 rpm, normalized liquid volumetric flow rate between 0,2 and 1,5 and constant air mass flow rate. Both the Euler-Euler Two-fluid and the polydisperse MUSIG models were employed, the latter considers breakage and coalescence mechanisms to model the dispersed gaseous phase. The numerical model was capable of predicting the pump’s performance drop, but overestimated its operational window, indicating a degradation to lower liquid volumetric flow rates, when compared to the experiment. Flow patterns were also successfully reproduced, bubble breakage and coalescence effects inside the impeller have shown to be crucial in the modelling of the phenomenon. The present work contributes with the literature by comparing with detail the pressure increment and flow dynamics obtained numerically with experimental data and by demonstrating the robustness of the tool and models used. It can be used as starting point to further studies involving other operating conditions and models’ combinations.
URI: http://repositorio.roca.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/9596
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