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[en] EXPERIMENTAL STUDY OF ELONGATED BUBBLES IN HORIZONTAL TWO-PHASE INTERMITTENT FLOW / [pt] ESTUDO EXPERIMENTAL DE BOLHAS ALONGADAS NO ESCOAMENTO BIFÁSICO HORIZONTAL INTERMITENTEWALACE ROSA LAURINDO 04 January 2013 (has links)
[pt] Ao longo deste trabalho, diversas características importantes para a dinâmica do escoamento intermitente foram analisadas experimentalmente. Todos os testes foram realizados numa tubulação com 0,0508 m de diâmetro interno, em configuração horizontal, utilizando água e ar e abrangendo uma região onde o escoamento passa por uma complexa transição do regime de bolha alongada, caracterizado por longas bolhas de gás localizadas próximo ao topo da tubulação, para o regime golfada, caracterizado por uma intensa quantidade de bolhas dispersas de gás e bolhas alongadas com formatos distorcidos e frentes mais distantes do topo da tubulação. Nesta região verifica-se uma notável carência de técnicas experimentais capazes de extrair informações quantitativas dos fenômenos característicos desses regimes. Através de um sistema de interruptores de feixe de infravermelho, o comportamento estatístico dos comprimentos dos pistões de líquido, das frequências de passagem dos pistões e do comprimento da bolha alongada puderam ser investigados. Uma extensa comparação dos dados com trabalhos disponíveis na literatura foi realizada, validando os resultados experimentais obtidos. Em conjunto, foi utilizada a técnica óptica, não intrusiva, conhecida como técnica de sombra (shadow technique), combinada com uma câmera digital de alta taxa de aquisição de imagens. Um procedimento inovador de processamento das imagens foi desenvolvido, permitindo a extração de informações quantitativas de regimes complexos com intensa quantidade de bolhas dispersas. Resultados importantes como o abaixamento do nariz da bolha como uma função da competição entre as forças de gravidade e de inércia puderam ser verificados e confirmados quantitativamente pela primeira vez. / [en] The present work experimentally studied several relevant dynamic characteristics of gas-liquid intermittent flow through a horizontal pipe. All tests were performed in a test section formed by 50.8 mm internal diameter pipe using air and water as working fluids. The tests covered a region where the flow undergoes a complex transition from elongated bubble flow regime, characterized by long gas bubbles located near the top of the pipe, to the slug flow regime, characterized by a large amount of dispersed gas bubbles in the liquid slug and elongated bubbles with distorted shapes and fronts displaced from the top of the pipe. In this region there is a notable lack of experimental techniques capable of extracting quantitative information of the characteristic dynamic phenomena involved. A set of infrared optical switches was employed to obtain statistical information on liquid piston lengths and frequency, as well as the elongated bubble lengths. An extensive comparison of the data obtained with works available in the literature was performed, validating the experimental results and the technique employed. Also, a high frame rate camera with back illumination was employed to capture images of the nose and tail of gas bubbles. An innovative procedure for image processing was developed, allowing for the extraction of original quantitative information on the complex shapes of the bubble and its relationship with flow variables. Relevant information such as the lowering of the bubble nose as a result of competing gravitational and inertial forces could be verified and confirmed quantitatively seemingly for the first time.
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[en] DEVELOPMENT OF TECHNIQUE BASED ON FLUORESCENCE TO MEASURE TWOPHASE SLUG FLOW / [pt] DESENVOLVIMENTO DE TÉCNICA BASEADA EM FLUORESCÊNCIA PARA MEDIÇÃO DE ESCOAMENTO BIFÁSICO EM REGIME DE GOLFADAPAULO HENRIQUE DA SILVA ANICETO 15 April 2008 (has links)
[pt] Neste trabalho é apresentada a implementação e aplicação de
uma técnica
experimental ótica, já descrita na literatura, para a
medição instantânea do
campo de velocidades gerado em escoamento bifásico líquido-
gás. O trabalho
concentrou-se no regime de escoamento em golfadas. Água e
ar foram utilizados
como fluidos de trabalho nos testes. A técnica implementada
combina
Velocimetria por Imagem de Partículas (PIV - Particle Image
Velocimetry), com
Fluorescência Induzida por Laser (LIF - Laser Induced
Fluorescence) e
Iluminação Pulsada de Fundo (PST - Pulsed Shadow
Technique), o que permite
determinar simultaneamente o campo instantâneo de
velocidade na água gerado
pela passagem da bolha de ar, assim como a forma e
velocidade da bolha.
Processamento digital de imagens foi utilizado para extrair
as informações sobre
o campo de velocidade do líquido e as características da
bolha. A técnica
implementada foi aplicada no escoamento gerado pela
passagem de uma bolha
de gás em uma coluna de líquido estagnado. A técnica PIV
foi utilizada para
determinar o campo de velocidades na fase líquida
iluminando-se o escoamento
com um plano de luz laser pulsada. O uso de partículas
fluorescentes em
conjunto com filtros óticos posicionados em frente a uma
câmera digital
permitiram suprimir a reflexão intensa proveniente das
interfaces líquido-gás e
das paredes do tubo. Entretanto, esta técnica não é capaz
de determinar a exata
posição da interface líquido-gás. O uso da iluminação
pulsada de fundo
proveniente de um painel de LED`s permite a visualização da
interface gáslíquido
com boa definição. Uma única câmera digital posicionada
ortogonalmente
ao plano de luz laser e em oposição ao painel de LED`s foi
usada para o registro
das imagens. Os resultados obtidos revelaram com excelente
resolução os
detalhes do escoamento na esteira, filme na parede e nariz
de uma bolha
ascendente, comprovando a eficácia da técnica implementada. / [en] This work presents the implementation of a non-intrusive
optical technique
for measuring the hydrodynamic characteristics of liquid-
gas, two-phase flows.
The work was limited to the study of air-water slug flows.
The technique
implemented, already described in the literature, combines
Particle Image
Velocimetry - PIV, Laser Induced Fluorescence - LIF, and
pulsed background
illumination, known as Pulsed Shadow Technique - PST. The
combination of
these techniques allows the simultaneous measurement of the
instantaneous
flow field generated in the liquid by the passage of the
air bubble, together with
the shape and velocity of the bubble. The technique was
employed in the study of
an air bubble rising in a stagnant liquid layer. The PIV
technique was employed in
the determination of the instantaneous flow field in the
liquid using fluorescent
particles illuminated by a pulsed laser sheet. An optical
high-pass filter was used
to block the light scattered by the air-water interfaces
and by the pipe walls,
allowing the digital camera employed to only capture the
particle positions. A LED
panel furnished back illumination at a wave length that
passed through the
high-pass filter and allowed an accurate determination of
the bubble shape. A
digital image processing procedure was employed to
determine the bubble
shape, velocity and liquid flow field. The results obtained
revealed, with excellent
resolution, the details of the liquid flow at the wake,
wall film and nose of the
rising bubble, thereby attesting to the quality of the
technique implemented.
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[en] EMULSION FORMATION IN THE TWO-PHASE OIL-WATER FLOW THROUGH SMALL PASSAGES / [pt] FORMAÇÃO DE EMULSÃO NO ESCOAMENTO BIFÁSICO DE ÓLEO E ÁGUA ATRAVÉS DE ORIFÍCIOSEDUARDO MARTIN CABELLOS VILLALOBOS 26 November 2010 (has links)
[pt] A produção de óleo diminui e a produção de água aumenta com o passar do
tempo na vida de um reservatório. A mistura de óleo e água é geralmente
produzida na forma de uma emulsão. A formação da emulsão começa no
escoamento bifásico no interior do reservatório e sua estrutura muda na medida
em que os líquidos escoam através de tubulações, bombas e válvulas até as
instalações de superfície. Durante a produção, as gotas maiores da fase dispersa
quebram-se mudando a distribuição do tamanho das gotas. É importante conhecer
a distribuição de tamanho de gota da fase dispersa da emulsão a fim de projetar as
unidades de separação e prever as quedas de pressão ao longo do escoamento. O
objetivo do presente trabalho é o estudo do processo de quebra de gotas em
capilares retos e válvulas agulha a fim de prever o tamanho das gotas resultantes
em função das condições de escoamento. O principal desafio é entender como os
diferentes parâmetros operacionais de escoamento afetam o processo de quebra.
Duas bancadas experimentais foram utilizadas para o estudo do processo. Na
primeira, foi realizada uma análise paramétrica de formação de emulsões em um
escoamento laminar através de capilares retos. Os experimentos foram realizados
utilizando duas seringas conectadas através de um capilar. A emulsão óleo-emágua
foi forçada a uma passagem de ida e vinda através do capilar. O diâmetro
médio de gota e a superfície específica da fase dispersa foram obtidos em função
da vazão de injeção, taxa de cisalhamento, tempo de residência e trabalho
dissipado na parede do capilar. Como esperado, o diâmetro médio da fase dispersa
diminui com o aumento do tempo de cisalhamento atingindo um valor assintótico
e possui uma grande dependência com a taxa de cisalhamento na parede do
capilar. Na segunda bancada, foi realizada uma análise paramétrica de um
escoamento turbulento de emulsão óleo-em-água através de uma válvula agulha.
Os experimentos foram realizados utilizando uma bomba helicoidal para controlar
a vazão através da válvula. O diâmetro médio de gota e a superfície específica da
fase dispersa a montante e a jusante da válvula foram obtidos em função da queda
de pressão, vazão e taxa de dissipação de energia na válvula. O diâmetro médio da
fase dispersa diminui e a superfície específica aumenta com o aumento da queda
de pressão na válvula agulha até atingir um valor assintótico. / [en] Oil production decreases and water production increases as time goes by in
the life of a hydrocarbon reservoir. The mixture of oil and water is usually
produced as an emulsion. Emulsion formation starts in the two-phase flow inside
the reservoir. The emulsion structure changes as it flows through pipes, pumps
and valves up to the surface facilities. During all stages, large drops of the
dispersed phase break up leading to smaller drops. It is important to know the
droplet size distribution of the dispersed phase in order to design separation units
and predict the pressure drop along the flow. The aim of the this work is to study
the droplets break-up process that takes place in capillaries and in a needle valve
in order to make predictions of the size of the resulting droplets that emerge from
this process. The main challenge is to understand how the different operating flow
parameters affect the break up process. In order to achieve this goal, two
laboratory scale experimental set-ups have been used. In the first experiment, we
conducted a parametric analysis of oil-water emulsion formation in laminar flow
through straight capillaries. The experiments were carried out using two syringe
pumps connected by a double-hubbed capillary pipe. The oil-water emulsion is
forced back and forth through the pipe. The mean diameter and the specific
surface area of the dispersed phase were obtained as a function of flow rate, shear
rate, residence time and rate of energy dissipation at the capillary wall. As
expected, keeping all other variables fixed, the dispersed phase mean diameter
decreases with the shearing time, reaching an asymptotic value, which was a
strong function of the shear rate at the capillary wall. Secondly, we conducted a
parametric analysis of turbulent oil-in-water emulsion flow through a needle
valve. The experiments were carried out using a helicoidal pump to control the
flow rate through the needle valve. The mean diameter and the specific surface
area of the dispersed phase upstream and downstream of the valve were obtained
as a function of the pressure drop in the valve, flow rate, and rate energy
dissipation of the flow. The dispersed phase mean diameter falls and the specific
surface area rises with the pressure drop in the valve until reaching an asymptotic
value.
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[en] SIMULATION OF INTERMITTENT FLOW IN VERTICAL PIPES USING THE TWO-FLUID MODEL WITH DIFFERENT CLOSURE PARAMETERS / [pt] SIMULAÇÃO DO REGIME INTERMITENTE EM TUBULAÇÕES VERTICAIS UTILIZANDO O MODELO DE DOIS FLUIDOS COM DIFERENTES RELAÇÕES DE FECHAMENTOJERRY DA RESSUREICAO GERALDO INACIO 04 January 2013 (has links)
[pt] Escoamentos intermitentes bifásicos são caracterizados pela sucessão de golfadas de líquido separadas por bolhas de diferentes tamanhos, escoando com frequência variável. A previsão deste tipo de escoamento é muito importante, uma vez que o mesmo pode ser encontrado em diversas aplicações industriais. No presente trabalho, é realizado um estudo do regime intermitente em tubulações verticais, utilizando o Modelo de Dois Fluidos uni-dimensional, juntamente como o método de Volumes Finitos. O Modelo de Dois Fluidos uni-dimensional requer a inclusão de diversas relações de fechamento para as fases líquida e gasosa. Estas relações devem representar realisticamente o fenômeno físico de interesse, e as equações resultantes devem ser bem postas. No presente trabalho, duas relações de fechamento foram consideradas: salto de pressão devido à curvatura da interface e parâmetro de distribuição de fluxo de quantidade de movimento. A presença do salto de pressão não se mostrou significativa, enquanto que o parâmetro relacionado a distribuição da fase líquida ampliou a região em que o sistema de equações é bem posto. Para os casos analisados, o parâmetro de distribuição da fase líquida apresentou influência nas características do escoamento. As principais grandezas do regime estatisticamente permanente, como comprimento e velocidade de translação da golfada e da bolha, foram comparadas com dados experimentais disponíveis na literatura, apresentando boa concordância. / [en] Intermittent two phase flows are characterized by a succession of liquid slugs separated by bubbles of different sizes, with varying frequency. The prediction of this type of flow is very important, since it can be found in several industrial applications. In the present work, studies of intermittent flows in vertical pipes are performed, employing the Two Fluid Model along with the Finite Volume method. The one-dimensional Two Fluid Model requires the inclusion of several closure relations for both gas and liquid phases. These relations should realistically represent the physical phenomenon of interest, and the resulting equations should be well posed. In this work, two closure relations were considered: pressure jump due to the interface curvature and momentum flux distribution parameter. The inclusion of the pressure jump did not present a significant influence, whereas the momentum flux parameter of the liquid phase increased the region in which the system of equations is well posed. For the cases analyzed, the momentum flux parameter of the liquid phase affected the flow characteristics. The main statistical slug quantities, such as length and translational speed of the bubble and slug, were compared with experimental data available in the literature, showing good agreement.
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[en] NUMERICAL SIMULATION OF A GAS-LIQUID MIXER FOR PUMPING STATIONS / [pt] SIMULAÇÃO NUMÉRICA DE UM MISTURADOR GÁS-LÍQUIDO PARA ESTAÇÕES DE BOMBEIOLEONARDO CHAGAS CARBONE 26 January 2016 (has links)
[pt] A produção de petróleo offshore tem requerido cada vez mais a utilização de equipamentos de bombeio no leito marinho para a produção de poços a longas distâncias das unidades de produção. A grande maioria destes equipamentos tem dificuldade de operar com a presença de gás, ainda mais em condições de golfadas, onde a fração de vazio na sucção pode variar significativamente. Isto limita enormemente a janela operacional dos equipamentos. Uma forma de minimizar os efeitos das golfadas e, assim, ampliar a janela de operação destes equipamentos é a instalação de misturadores de fluxo na sucção das bombas, que atuam de forma a garantir uma maior sobrevida ao equipamento. Portanto, o projeto e a previsão do comportamento deste tipo de equipamento são fundamentais para bom funcionamento dos sistemas de bombeamento submarino. O presente trabalho investiga numericamente, com o modelo de dois fluidos, a eficiência de um tipo de misturador em uniformizar as frações de vazio. Diferentes configurações geométricas são analisadas e a influência das vazões de admissão de ambas as fases é discutida. A metodologia é validada através da comparação da queda de pressão através do misturador com dados experimentais disponíveis, onde se observou boa concordância. O modelo numérico mostra ainda que uma reserva de líquido é mantida no interior do equipamento e, o gás é forçado a se dispersar na corrente de líquido para sair do misturador. O comportamento do misturador frente à presença de golfadas também é investigado. Ao final do trabalho é proposta uma nova geometria, que se mostra mais tolerante a intermitências no escoamento. / [en] The offshore oil production is increasingly using pumping equipment at the seabed for production of wells at long distances from production units. Most of these devices have difficulty to operate in the presence of gas, especially in slug flow conditions, where the pump suction s void fraction can vary significantly. This problem limits the equipment s range of operation. One way to minimize the effects of slugging and thus enlarge the operation range of these devices is to use flow mixers at the pump s suction, which helps to ensure the operation even in the presence of large gas bubbles. Therefore, the design and prediction of the behavior of this type of equipment are essential for proper operation of subsea pumping systems. At the present work, the efficiency of a type of flow mixer to provide uniform void fractions at its outlet is numerically investigated, with the two fluid model. Different geometric configurations are analyzed and the influence of intake flow of both phases is discussed. The methodology is validated through comparison of the pressure drop through the flow mixer with available experimental data, where good agreement was observed. The numerical model also shows that a buffer of liquid is maintained inside the equipment and the gas is forced to disperse in the liquid stream to exit the mixer. The mixer s behavior in the presence of slugs is also investigated. Finally, a new geometry is proposed, which seems to be more efficient to avoid flow s intermittencies.
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[pt] MEDIÇÃO DO CAMPO DE VELOCIDADE DO LÍQUIDO NO ESCOAMENTO BIFÁSICO, INTERMITENTE, EM DUTO HORIZONTAL, UTILIZANDO VELOCIMETRIA ESTEREOSCÓPICA / [en] STEREO-PIV LIQUID VELOCITY MEASUREMENTS IN TWO-PHASE, INTERMITENT FLOW IN A HORIZONTAL PIPE16 August 2017 (has links)
[pt] Escoamentos intermitentes gás-líquido são encontrados em diversas aplicações de engenharia, como em linhas de produção de petróleo e em sistemas de refrigeração de reatores nucleares. O conhecimento detalhado deste padrão de escoamento é indispensável para a construção de modelos matemáticos representativos deste fenômeno físico complexo. No presente trabalho, foi desenvolvido um estudo experimental com o objetivo de fornecer informações que possibilitem a melhoria dos modelos existentes para o escoamento bifásico intermitente em duto horizontal. A técnica de velocimetria por imagem de partículas estereoscópica (SPIV) de alta frequência foi empregada, em conjunto com a técnica de fluorescência induzida por laser (LIF), permitindo a obtenção de campos de velocidade na região do pistão de líquido, a jusante da bolha alongada, e na região do filme líquido, a montante da bolha. O arranjo experimental possibilitou a medição das três componentes do vetor velocidade do escoamento bifásico água-glicerina e ar na seção transversal de uma tubulação horizontal de 40mm de diâmetro interno. Os resultados obtidos, originais na literatura, mostraram a evolução detalhada das três componentes dos campos médios do vetor velocidade ao longo da passagem da bolha alongada durante o escoamento intermitente. / [en] Gas-liquid intermittent flows can be found in many engineering applications, such as oil production lines and nuclear reactors cooling systems. The detailed knowledge of this flow pattern is necessary for the development of accurate mathematical models of this complex phenomenon. In this work, an experimental study was developed with the goal to provide data that could be used to improve the existing models for two-phase intermittent flow in horizontal pipes. The high-frequency stereoscopic particle image velocimetry (SPIV) technique was employed along with the laser induced fluorescence (LIF) technique, allowing the measurement of velocity fields in the liquid slug, downstream of the elongated bubble, and in the liquid film, upstream of the elongated bubble. The experimental arrangement allowed the measurement of the three components of the velocity vector in an intermittent two-phase water-glycerine and air flow, in a transversal sections of a 40mm internal diameter horizontal pipe. The results obtained revealed original detailed information on the evolution of the three components of the averaged velocity field associated with the passage of the elongated bubble characteristic of the intermittent flow.
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[en] OPTICAL METHOD FOR CARACTERIZING LIQUID FILM IN HORIZONTAL TWO-PHASE ANNULAR FLOW / [pt] MÉTODO ÓPTICO PARA CARACTERIZAÇÃO DO FILME LÍQUIDO EM ESCOAMENTO HORIZONTAL BIFÁSICO ANULARPAULA STOFER CORDEIRO DE FARIAS 08 April 2011 (has links)
[pt] Uma técnica óptica não intrusiva foi desenvolvida para fornecer imagens
instantâneas do filme líquido em escoamento anular horizontal ar-água. Imagens
instantâneas das seções longitudinais e tranversais do escoamento revelaram o
comportamento dinâmico do filme de líquido ao redor do tubo. A técnica PLIF –
Planar Laser Induced Fluorescence – foi utilizada para separar a luz emitida pelo
filme daquela (mais intensa) refletida na interface ar-água. A seção de testes
utilizada foi fabricada em material com índice de refração próximo ao da água, o
que permitiu que regiões muito próximas às paredes fossem estudadas sem
distorções ópticas apreciáveis. Imagens longitudinais do filme de líquido foram
capturadas utilizando uma câmera de alta velocidade sincronizada com um laser
de alta taxa de repetição de pulsos. Foram realizados testes com frequências de
aquisição de 250 e 3000 Hz. Um algoritmo computacional foi especialmente
desenvolvido para medir automaticamente a posição da interface ar-água em cada
imagem. A espessura de filme líquido foi medida em duas posições axiais em
cada imagem, gerando dados para a variação temporal da espessura do filme de
líquido em duas posições diferentes. As velocidades de propagação das ondas de
líquido foram calculadas através da correlação cruzada dos sinais de espessura de
filme em função do tempo das duas posições axiais. O espectro de frequência das
ondas foi obtido a partir do sinal transiente de espessura do filme de líquido
capturado. Os resultados obtidos permitiram estudar a dependência das
propriedades do filme líquido com os parâmetros globais do escoamento, tais
como as velocidades superficiais de gás e líquido. O trabalho realizado também
implementou uma técnica de visualização transversal, empregando para isso duas
câmeras digitais de alta velocidade em uma montagem estereoscópica. O laser de
alta repetição foi montado de modo que seu feixe iluminasse a seção tranversal do
tubo. Imagens obidas com as duas câmeras foram distorcidas usando um alvo de
calibração e um polinômio para correção das imagens. Estas imagens distorcidas
foram unidas para reconstruir a forma completa do filme de líquido na seção
tranversal do tubo em função do tempo. Os resultados obtidos com a técnica
estereoscópica desenvolvida constituem-se em uma contribuição original na área
de medição de escoamentos bifásicos. Comparações com os resultados
disponíveis na literatura indicam que o presente trabalho fornece resultados com
níveis de incerteza experimentais equivalentes a outras técnicas bem
estabelecidas. Os resultados obtidos com as técnicas desenvolvidas forneceram
informações úteis para auxiliar o entendimento do comportamento dinâmico do
filme de líquido em escoamentos bifásicos anulares. / [en] A non-intrusive optical technique was employed to provide time-resolved
images of the lower portion of the liquid film of horizontal annular flow of air and
water, revealing the interfacial wave behavior. Time-resolved images of the pipe
cross section revealed the dynamics of the complete liquid film around the pipe
wall. The planar laser induced fluorescence technique (PLIF) was implemented to
allow for the optical separation of the light emitted by the film from that (more
intense) scattered by the air-water interface. The visualization test section was
fabricated from a tube material which has nearly the same refractive index as
water, what allowed for the visualization of the liquid film at regions very close to
the pipe wall. Longitudinal images of the liquid film were captured using a high
speed digital video camera synchronized with a high repetition rate laser. Data
sets were collected with sampling camera frequencies ranging from 250 to 3000
Hz. A specially developed image processing algorithm was employed to
automatically detect the position of the air-water interface in each image frame.
The thickness of the liquid film was measured at two axial stations in each
processed image frame, providing time history records of the film thickness at two
different positions. Wave velocities were measured by cross-correlating the
amplitude signals from the two axial positions. Wave frequency information was
obtained by analyzing the time-dependent signals of film thickness recorded. The
results obtained allowed for the verification of the variation of the liquid film
characteristics with global flow parameters, such as the liquid and gas flow
superficial velocities. For the film cross section observations, two high speed
digital video cameras were used in a stereoscopic arrangement. The high
repetition rate laser had its laser sheet mounted so as to illuminate a pipe cross
section. Images from the left and right cameras were distorted by the use of a
calibration target and an image correction algorithm. Distorted images from each
camera were then joined to yield the complete instantaneous cross section image
of the liquid film. Comparisons with results from different techniques available in
literature indicate that the present technique presents equivalent accuracy in
measuring the liquid film properties. The stereoscopic technique developed is an
original contribution of the present work to the set of experimental techniques
available for the study of two-phase flows. Time–resolved images of longitudinal
and cross section views of the film were recorded and analyzed, what constitutes
in valuable information for the understanding of the dynamics of the liquid film in
horizontal annular flow.
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[en] NUMERICAL PREDICTION OF TWO-PHASE FLOW IN PIPELINE WITH THE DRIFT-FLUX MODEL / [pt] PREVISÃO NUMÉRICA DE ESCOAMENTO BIFÁSICO EM TUBULAÇÕES UTILIZANDO O MODELO DE DESLIZAMENTOCARLOS EUGENIO CARCERONI PROVENZANO 28 September 2007 (has links)
[pt] Na produção de gás e petróleo em campos de águas profundas
são
comumente encontrados trechos verticais de dutos (risers)
na aproximação final
à plataforma. Nesta configuração, podem ocorrer
escoamentos bifásicos no
regime de golfadas severas (severe slug) que gera
alternância na produção da fase
gasosa e líquida. Esta alternância é caracterizada por
períodos de produção de gás
sem líquido seguido de altas taxas de produção de ambas as
fases. O regime
severo de golfadas é geralmente descrito em quatro fases:
formação da golfada,
produção da golfada, rompimento da golfada pela fase gás e
fluxo reverso do que
restou da fase líquida. Este regime induz o escoamento a
condições mais
extremas do que um outro regime, visto que resultam em um
aumento de pressão
no duto durante a formação da golfada e em um aumento na
taxa de produção
durante a expulsão da mesma. O presente trabalho consiste
da simulação
numérica do regime de golfadas severas para um trecho de
tubulação horizontal
seguido de outro vertical, assim como apresentar uma
análise de um regime
estatisticamente permanente. A previsão do escoamento é
obtida utilizando-se
uma formulação unidimensional baseada no modelo de Drift.
A freqüência das
golfadas é comparada com outros estudos numéricos da
literatura, obtendo-se
uma concordância bastante satisfatória. / [en] In the gas and oil offshore deep water production is usual
to find risers in
Production Unit final approach. Regarding to this
configuration, two-phase flows
can evolve to a severe slug regime that create gas and
liquid alternate production.
This cyclic behavior is characterized by periods of gas
production followed by
very high liquid and gas flow rates. The severe slug flow
regime is normally
described as occurring in four phases: slug formation,
slug production, blowout,
and liquid fallback. This flow regime introduces new
conditions that can be
found in other regimes because of the pressure increase
during the slug formation
and the large flow rates during the slug production. The
present work consists of
the numerical simulation of the severe slug flow regime
into a horizontal pipeline
section followed by a vertical section, as well as to
present an statistically steady
state analysis. The flow prediction is obtained through a
one-dimensional
formulation based on the Drift Flux Model. The slug
frequency is compared with
other numerical studies available in the literature, and a
very satisfactory
agreement is obtained.
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[en] NUMERICAL MODELLING OF TWO-PHASE FLOW IN FRACTURED POROUS MEDIA WITH FLUIDMECHANICAL COUPLING / [pt] MODELAGEM NUMÉRICA DE ESCOAMENTO BIFÁSICO EM MEIOS POROSOS FRATURADOS COM ACOPLAMENTO FLUIDOMECÂNICONATHALIA CHRISTINA DE SOUZA TAVARES PASSOS 15 February 2019 (has links)
[pt] Esse trabalho apresenta um modelo numérico para a análise de processos acoplados de efeitos mecânicos e escoamento bifásico em meios porosos fraturados, com a utilização de diferentes métodos numéricos combinados (Elementos finitos contínuos e descontínuos), e utilizando uma mesma malha de elementos finitos para representar uma célula de modelo de simulação de reservatório. As descontinuidades são inseridas na malha como elementos de nós duplicados colapsados. Empregam-se procedimentos numéricos desenvolvidos em dois grupos distintos. Um primeiro grupo de simulações trata de um procedimento numérico de escoamento bifásico, com ênfase à obtenção de um balanço de volumes verdadeiramente conservativo. Nesta fase, avalia-se uma formulação numérica que emprega um processo em três etapas: o método dos elementos finitos (EF), para a aproximação da equação da pressão; intermediariamente, utiliza-se o método de Raviart-Thomas de mais baixa ordem para aproximação da velocidade; e a aproximação da equação da saturação pelo método dos elementos finitos descontínuos (MEFD), que utiliza um limitador de inclinação multidimensional de modo a evitar oscilações na reconstrução dos dados de saturação. Para fins de validação da formulação desenvolvida, comparam-se os resultados obtidos com simulações utilizando o Método do Volumes Finitos (VF). O segundo grupo de
simulações trata de acoplar o módulo mecânico (em EF) ao simulador de escoamento bifásico, de modo que a variação do estado de tensões, decorrente da explotação, seja considerada nas simulações. Essa análise permite uma melhor representação do fenômeno estudado além de proporcionar melhores resultados quanto à chegada da água nos poços produtores, afetando a produtividade do modelo. / [en] This work presents a numerical model for the analysis of coupled processes of mechanical effects and two-phase flow in fractured porous media using different numerical methods (continuous and discontinuous finite elements), and using the same finite element mesh to represent a cell of reservoir simulation model. The discontinuities are inserted into the mesh as elements of collapsed duplicate nodes. Numerical procedures developed in two distinct groups are used. A first group of simulations deals with a numerical two-phase flow procedure, with special emphasis on obtaining a truly conservative volume balance. At this stage, a numerical formulation using a three-step process is evaluated: The Finite Element Method (EF), for the approximation of the pressure equation; the lower order of Raviart-Thomas method is used to velocity approximation; and the approximation of the saturation equation by the discontinuous finite element method (MEFD), using a multidimensional slope limiter in order to avoid oscillations in the
reconstruction of the saturation data. For the validation of the developed formulation, the results obtained are compared with simulations using the Finite Volume Method (VF), with focus on the analysis of the conservation of volumes. The second group of simulations couple the mechanical module (in EF) to twophase flow computer program, so the variation of the stress state, due to exploitation, is considered in the simulations. This analysis allows a better representation of the phenomenon. In addition to providing better results regarding the arrival of water in the producing wells, affecting the productivity of the model.
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[en] INSTANTANEOUS LIQUID VELOCITY FIELD MEASUREMENTS IN TWO-PHASE INTERMITTENT FLOW THROUGH HORIZONTAL AND INCLINED PIPES / [pt] MEDIÇÃO DO CAMPO INSTANTÂNEO DE VELOCIDADE DO LÍQUIDO NO ESCOAMENTO BIFÁSICO INTERMITENTE EM TUBOS HORIZONTAIS E INCLINADOSROBERTO DA FONSECA JUNIOR 22 March 2010 (has links)
[pt] No presente trabalho foi realizado um estudo experimental sobre
escoamento bifásico em regime intermitente através de tubos horizontais e de
pequena inclinação, com o objetivo de determinação dos campos de
velocidade instantâneos nas regiões a montante do nariz, a jusante da cauda
das bolhas de gás, assim como na região do filme de líquido sob as bolhas. Foi
implementada uma combinação de três técnicas ópticas não invasivas.
Velocimetria por Imagem de Partículas bi-dimensional (Particle Image
Velocimetry – PIV) foi utilizada para determinar os campos de velocidade
instantâneos nas regiões de interesse, enquanto luz de fundo pulsada e
sincronizada proveniente de uma matriz de LED’s vermelhos iluminava os
contornos das bolhas aumentando o contraste das interfaces líquido-gás
(Pulsed Shadow Technique – PST). Uma técnica baseada na fluorescência
induzida por laser foi utilizada (Laser Induced Fluorescence - LIF) para separar
a luz verde intensa proveniente do laser associado à técnica PIV. Os testes
foram conduzidos em seção transparente tendo água e ar como fluidos de
trabalho. Os resultados obtidos revelaram informações detalhadas sobre o
escoamento de líquido no escoamento intermitente. Foram produzidos também
resultados estatísticos de algumas variáveis globais do escoamento como, a
velocidade e os comprimentos das bolhas e pistões de líquido, além da
frequência de passagem desta estruturas do escoamento. / [en] instantaneous liquid velocity fields at the film, nose and tail regions of slugs in
horizontal and inclined two phase flow. To this end, a combination of three nonintrusive
optical techniques was employed. Two-dimensional particle image
velocimetry (PIV) was used to measure the instantaneous liquid velocity field at
a meridional plane of the horizontal pipe test section, while a synchronized
pulsed back lighting, provided by a matrix of red LED s, illuminated the bubble
contours thereby enhancing contrast of the interfaces (Pulsed Shadow
Technique - PST). A laser-induced fluorescence technique (LIF) was employed
to separate the strong reflections coming from the gas-liquid interfaces
produced by the green PIV laser, The tests were conducted on a specially built
transparent pipe test section, using air and water as the working fluids. The
velocity fields were obtained for flow regimes where the slugs were lightly
aerated. The velocity field results in the nose, tail and film regions revealed
valuable detailed information that helped to better understand the physics of the
flow, besides contributing to the formation of a data bank for supporting the
development of two-phase, horizontal slug flow simulations. The work
conducted also provided statistical information on the main global variables that
characterize the flow, such as, speed and length of gas bubbles and liquid
slugs, and the frequency of passage of these structures.
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