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Título: Modelagem matemática do perfil da bolha alongada no escoamento bifásico em golfadas e análise de dados experimentais
Título(s) alternativo(s): Mathematical modeling and experimental analysis for the elongasted bubble shape in two-phase slug flow
Autor(es): Weiland, Mateus
Orientador(es): Morales, Rigoberto Elezar Melgarejo
Palavras-chave: Escoamento multifásico
Gás - Escoamento
Escoamento bifásico
Escoamento
Modelos matemáticos
Simulação (Computadores)
Engenharia mecânica
Multiphase flow
Gas flow
Two-phase flow
Runoff
Mathematical models
Computer simulation
Mechanical engineering
Data do documento: 23-Nov-2017
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Curitiba
Referência: WEILAND, Mateus. Modelagem matemática do perfil da bolha alongada no escoamento bifásico em golfadas e análise de dados experimentais. 2017. 92 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Mecânica) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2017.
Resumo: No escoamento bifásico líquido-gás, a fase gasosa e a fase líquida se distribuem em diferentes geometrias em função de características do escoamento como as vazões dos fluidos, as propriedades de cada fase e parâmetros geométricos da tubulação. Estas distribuições geométricas das fases são chamadas de padrões de escoamento. Um padrão de escoamento frequente nas linhas de produção de petróleo e gás é o escoamento bifásico em golfadas, que é caracterizado por uma célula unitária que compreende um pistão de líquido aerado e uma bolha alongada de gás que escoa junto a um filme de líquido. A modelagem matemática do perfil da bolha alongada é uma das possibilidades para caracterizar o escoamento bifásico líquido-gás em golfadas. Assim, neste trabalho é desenvolvida uma modelagem matemática do perfil da bolha alongada de gás a partir da conservação da quantidade de movimento na região da bolha alongada. O sistema de equações resultantes da modelagem matemática foi resolvido numericamente utilizando um programa computacional desenvolvido no presente trabalho. A partir da solução numérica é possível obter as frações de líquido e gás na região da bolha alongada, o comprimento da bolha alongada e do pistão de líquido e o perfil da bolha alongada. Foram realizados testes numéricos para diferentes condições de vazão de água e ar no padrão de escoamento bifásico em golfadas em dutos com inclinações, com relação à direção horizontal, de 0, -4º e -7º, -10º e -13º. Os resultados foram comparados com dados experimentais medidos no NUEM-UTFPR. A partir da análise dos resultados foram verificados que os parâmetros calculados numericamente tiveram discrepâncias menores que 25%, quando comparados com dados experimentais, para o escoamento em golfadas com inclinações de 0, -4º e - 7º. Para os casos do escoamento com inclinações de -10º e -13º as discrepâncias entre os resultados numéricos e experimentais foram maiores, limitando o uso da modelagem desenvolvida nestas condições.
Abstract: In the two-phase liquid-gas flow, the gas phase and the liquid phase are distributed in different geometries as a function of flow characteristics such as fluid flows rates, properties of each phase and geometric parameters of the pipe. These geometric distributions of each phases are called flow patterns. A commonly biphasic flow pattern in the oil and gas pipelines is the slug flow which is composed of a unit cell comprising an aerated liquid slug and an elongated gas bubble flowing next to a liquid film. The mathematical modeling of the elongated bubble profile is one of the possibilities to characterize the biphasic slug flow. Thus, in this work a mathematical modeling of the elongated gas bubble profile is developed from the balance of the momentum equation in the region of the elongated bubble. The system of equations resulting from mathematical modeling was solved numerically using the finite difference method. From the numerical solution it is possible to obtain the liquid holdup and the gas void fraction in the region of the elongated bubble, the length of the elongated bubble and the liquid slug and the profile of the elongated bubble. Numerical tests were performed for different water and air flow rates in the biphasic slug flow pattern in downwardly inclined pipes, of 0, -4º and -7º, -10º and -13º. The results were compared with experimental data measured in the NUEM-UTFPR. From the analysis of the results it was verified that the numerically calculated parameters had discrepancies smaller than 25%, when compared with experimental data, for the slug flow with inclinations of 0, -4º and -7º. For the cases of flow with inclinations of - 10º and -13º, the discrepancies between the numerical and experimental results were greater, limiting the use of the modeling developed in these conditions.
URI: http://repositorio.roca.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/9648
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