[pt] O escoamento trifásico na indústria do petróleo é caracterizado pela presença das fases gás, óleo e água. A presença da terceira fase (água) traz complexidade a esse processo, visto que pode provocar a formação de diversos novos padrões de escoamento, além dos já conhecidos para escoamento bifásico. Adicionalmente, a presença de uma fase líquida dispersa na outra pode formar uma emulsão, alterando significativamente a viscosidade e, assim, influenciando diretamente na perda de carga. O foco do presente trabalho é na previsão do padrão de golfadas com dispersões de água e óleo utilizando um modelo transiente unidimensional de Dois Fluidos. A presença da água é modelada através da solução da equação de conservação de massa para a fase água. Visando prever com precisão a queda de pressão, assim como a distribuição das frações volumétricas de cada fase ao longo do domínio, desenvolveu-se um modelo de fechamento algébrico para avaliar o escorregamento entre as fases líquidas. Com o modelo proposto, os resultados obtidos para a velocidade de escorregamento no escoamento água/óleo foram comparados com dados experimentais e de outros modelos, apresentando um excelente desempenho. O modelo foi então utilizado para analisar o escoamento trifásico no padrão de golfadas. As previsões para a queda de pressão e características das golfadas (comprimento, frequência e velocidade de translação) foram comparadas com dados experimentais da literatura e os resultados são promissores. / [en] The three-phase flow in the oil industry is characterized by the presence of the gas, oil and water phases. The presence of the third phase (water) adds complexity to this process, since it can cause the formation of several new flow patterns in addition to those already known for two-phase flow. Additionally, the presence of a dispersed phase into another can form an emulsion, altering significantly the viscosity and consequently influencing directly the pressure drop. The focus of this job is in the prediction of the slug flow with dispersions of water and oil using a one-dimensional transient Two Fluid model. The presence of water in the flow is modelled with the solution of an equation of conservation of mass. Intending to predict with precision the pressure drop, as the volumetric phase distribution of each phase throw the domain, an algebraic closure model was inserted to assess the slip between the liquid phases. With the proposed model, the results obtained for the slip velocity of the water/oil flow were compared with experimental data and other models, showing excellent performance. The model was then used to analyze the three-phase flow in the slug pattern. The predictions for pressure drop and characteristics of the slugs (length, frequency and translation velocity) have been compared with experimental data from the literature and the results are promising.

[pt] Neste trabalho, o comportamento tridimensional de tubos multicamadas com escorregamento entre camadas, sob grandes deslocamentos, para aplicação em análise global de risers e dutos é avaliado. Foi desenvolvido um novo elemento finito, considerando o modelo de viga de Timoshenko em cada camada. O elemento contempla os graus de liberdade axial, flexional e torcional, todos variando ao longo do elemento de acordo com as funções de interpolação de Hermite: carregamentos axial e torcional constantes e momentos fletores lineares. As deformações de cisalhamento também foram consideradas na formulação do elemento através de graus de liberdades generalizados, constantes ao longo do elemento. A formulação também considera modelos de contato não-lineares para representar várias possibilidades de atrito entre camadas, através da representação apropriada da relação constitutiva para as tensões de cisalhamento no material adesivo. O trabalho também apresenta os carregamentos hidrostáticos e hidrodinâmicos devidos aos fluidos interno e externo, atuando nos graus de liberdade das respectivas camadas. As forças de arrasto e de inércia devidas ao fluido externo foram calculadas através da fórmula de Morison. As matrizes de massa e amortecimento, associadas a cada camada do elemento, são obtidas através da consideração das respectivas contribuições na expressão do trabalho virtual desenvolvido pelo carregamento externo. O elemento finito desenvolvido permite a representação numérica de risers com camadas aderentes ou não aderentes, incluindo os efeitos de pequenos deslocamentos entre camadas. O problema de interação solo-estrutura também é tratado neste trabalho, sendo que dois modelos de contato entre o solo e o duto são propostos. A formulação do elemento e o seu desempenho numérico são avaliados através de alguns exemplos de aplicação e os resultados são comparados com outros resultados numéricos ou analíticos disponíveis na literatura. Os resultados mostram que o novo elemento é uma solução simples, robusta e confiável para análise de tubos em multicamadas. / [en] This work addresses the behavior of three-dimensional multilayered pipe beams with interlayer slip condition, under general three-dimensional large displacements, in global riser and pipeline analysis. A new finite element model, considering the Timoshenko beam for each element layer, has been formulated and implemented. It comprises axial, bending and torsional degrees-of-freedom, all varying along the element length according to discretization using Hermitian functions: constant axial and torsional loadings, and linear bending moments. Transverse shear strains due to bending are also considered in the formulation by including two generalized constant degrees-of-freedom. To represent various friction conditions between the element layers, nonlinear contact models are considered. These conditions are accounted in the model through a proper representation of the constitutive relation for the shear stresses behavior in the binding material. Derivations of hydrostatic and hydrodynamic loadings due to internal and external fluid acting on respective element layers are presented. The drag and inertia forces due to external fluid are calculated by using the Morison equation. Mass and damping matrices, associated to each element layer, are properly derived by adding their respective contributions to the expression of the virtual work due to external loading. The FE implementation allows for the numerical representation of either bonded or unbonded multilayered risers, including small slip effects between layers. Effects of the pipe-soil interaction are also addressed in this work with two contact models considering either no or full interaction between friction forces in longitudinal and lateral directions, respectively. The element formulation and its numerical capabilities are evaluated by some numerical testing, which are compared to other numerical or analytical solutions available in the literature. These tests results show that the proposed element provides a simple yet robust and reliable tool for general multilayered piping analyses.