[pt] Escoamentos bifásicos no regime de golfadas são caracterizados pela alternância de pacotes de líquido e grandes bolhas de gás na tubulação, sendo associados a altas perdas de carga, além de trazer uma indesejada intermitência aos escoamentos. O desenvolvimento do regime de golfadas em tubulações horizontais se dá a partir do escoamento estratificado em decorrência de dois fatores: do crescimento natural de pequenas perturbações (por um mecanismo de instabilidade do tipo Kelvin-Helmholtz) ou devido à acumulação de líquido causada por mudanças de inclinação no perfil do duto. O presente trabalho consiste da simulação numérica do surgimento das golfadas em ambas as situações descritas acima, assim como do subseqüente desenvolvimento do escoamento neste padrão para um regime estatisticamente permanente. A previsão do escoamento é obtida utilizando-se uma formulação unidimensional baseada no Modelo de Dois Fluidos. Parâmetros médios das golfadas (comprimento, velocidade e freqüência) são comparados com estudos numéricos e experimentais da literatura, obtendo-se uma concordância bastante satisfatória, especialmente dada a simplicidade de uma formulação unidimensional. / [en] Slug flow is a two-phase flow pattern which is characterized by the periodic presence of packs of liquid and long bubbles in the tube, associated with high pressure-drops and an often undesired intermittency in the system. The development of the slug pattern in horizontal pipes is caused by two reasons: the natural growth of small disturbancies at the interface (by a Kelvin-Helmholtz instability mechanism) or the liquid accumulation at valleys of hilly terrain pipelines with sections of different inclinations. The present work consists of the numerical simulation of the onset of slugging in both situations, as well as the subsequent development of statistically steady slug flow in the pipe. The prediction of the flow is obtained through a one- dimensional formulation based on the Two-Fluid Model. Averaged slug parameters (length, velocity and frequency) are compared with previous numerical studies and experimental correlations avaiable in the literature, and a very satisfactrory agreement is obtained, specially given the simplicity of a one dimensional formulation.

[pt] O escoamento bifásico no regime de golfadas é um padrão de escoamento que requer esforço em sua caracterização e modelagem, devido às características marcantes da distribuição espacial das fases, que gera intermitência ao escoamento. Este escoamento ocorre na presença de uma grande faixa de vazões de gás e líquido, em tubulações de diâmetro médio e pequeno, com variação periódica da densidade, fração de vazio e pressões na seção transversal da tubulação. No presente trabalho estuda-se numericamente o regime de golfadas ao longo de tubulações horizontais utilizando-se o Modelo de Dois Fluidos. Uma análise detalhada das estatísticas do escoamento é realizada com a caracterização dos principais parâmetros de uma golfada, como comprimento, velocidade da frente e cauda e freqüência de passagem das golfadas ao longo da tubulação. Os dados obtidos das simulações são analisados através de histogramas de distribuição assim como de funções densidade de probabilidade (PDF) das variáveis hidrodinâmicas, destacando-se o caráter estocástico do escoamento no padrão de golfadas. Adicionalmente, comparações com dados de trabalhos experimentais da literatura foram realizadas com concordância muito boa. / [en] Slug flow is a two-phase flow pattern that requires large effort in its characterization and modeling, due to special characteristics of the phase’s spatial distribution, which causes flow intermittency. This flow occurs in a wide range of gas and liquid flow rates in pipes of medium and small diameters, with periodic variation of density, void fraction and pressures in pipe-cross-section. This work presents a numerical study of the slug regime through horizontal pipes using the Two-Fluid Model. A detailed statistical analysis of the flow was carried out with characterization of main slug parameters, such as slug length, front and tail velocities and slug frequency along the pipeline. The numerical results were analyzed through distribution histograms as well as probability density function (PDF) of the hydrodynamic variables, showing the stochastic characteristic of slug flow pattern. Further, comparisons with experimental data from the literature were performed, showing very good agreement.

[pt] Diversos processos práticos apresentam uma seqüência de diferentes configurações de escoamentos bifásicos, com diferentes padrões de escoamento. Dependendo das razões entre as velocidades superficiais do gás e do líquido, diferentes padrões de escoamento bifásico podem ser encontrados. O padrão de escoamento slug pode ser formado a partir do padrão estratificado, devido ao crescimento das instabilidades hidrodinâmicas ou devido às ondulações no terreno onde se instala a tubulação. O presente trabalho consiste na análise do escoamento bifásico no padrão slug, ao longo de tubulações horizontais, mediante a aplicação do modelo de dois fluidos em sua forma transiente e unidimensional. Através de uma análise de estabilidade de Kelvin-Helmholtz para escoamento estratificado, estima-se a possível faixa de operação para a obtenção de um modelo matemático bem posto. Diferentes técnicas de discretização foram implementadas e testadas. Comparações com dados disponíveis na literatura foram realizadas. / [en] Several practical processes show a sequence of different configurations of two-phase flows, with different flows pattern. Depending upon the relation between the superficial velocities of gas and liquid, different two- phase flows patterns can be found. Slug flow can be formed from the stratified flow, due to growth of hydrodynamic instabilities or due to undulations of the surface where the pipes are installed. The present work consists in the analysis of two-phase flow in slug flow through horizontal pipes using the two-fluid model in its transient and one-dimensional form. By means of a Kelvin-Helmholtz stability analysis for stratified flows, the operation range for obtaining of a well-posed mathematical model is estimated. Different techniques of discretization were implemented and tested. Comparisons with result obtained in the literature were done.

[pt] Sabe-se que os anéis e tubulações elásticas de paredes finas estão sujeitos a instabilidades quando sob tensões compressivas. Um exemplo particularmente interessante é a flambagem de um anel elástico sob uma pressão hidrostática. A carga de flambagem é fortemente influenciada pela natureza seguidora da força devida à pressão hidrostática e, se esse efeito for desprezado, a previsão da carga de flambagem crítica pode ser de até 50 por cento para anéis esbeltos. Este trabalho estuda, usando uma formulação variacional não linear, as características de flambagem e vibração de anéis e tubulações apoiados em uma fundação elástica de Pasternak, sendo a fundação de Winkler considerada como um caso particular. Primeiro, a equação de movimento do anel pré-carregado é derivada e a solução analítica dos problemas de autovalor é obtida. A análise paramétrica mostra a influência dos parâmetros geométricos e físicos do anel e da fundação na carga crítica, frequências naturais e relação não linear carga-frequência, considerando o efeito da força seguidora da pressão hidrostática. Adicionalmente, o efeito da fundação nas deformações pré-críticas é estudado. Finalmente, o efeito de uma imperfeição geométrica inicial é avaliado usando o método de Galerkin. Os resultados mostram que os parâmetros da fundação de Pasternak têm um efeito considerável na carga e modo crítico, na frequência fundamental do anel. / [en] It is known that thin-walled elastic rings and pipes are subject to instability when under a state of compressive stresses. A particularly interesting example is the buckling of an elastic ring under hydrostatic pressure. The buckling load is strongly influenced by the following nature of the force due to the hydrostatic pressure and, if this effect is neglected, the forecast of the critical buckling load can be up to 50 per cent for slender rings. This work studies, using a non-linear variational formulation, the buckling and vibration characteristics of rings and pipes supported by a Pasternak elastic foundation, the Winkler foundation being considered as a particular case. First, the equation of motion of the preloaded ring is derived and the analytical solution of the eigenvalue problems is obtained. Parametric analysis shows the influence of the geometric and physical parameters of the ring and the foundation on the critical load, natural frequencies and nonlinear load-frequency relationship, considering the force following effect of the hydrostatic pressure. Additionally, the effect of the foundation on pre-critical deformations is studied. Finally, the effect of an initial geometric imperfection is assessed using the Galerkin method. The results show that the parameters of the Pasternak foundation have a considerable effect on the critical load and mode as well as on the natural frequencies of the ring.

[pt] Tubulações compósitas têm sido empregadas na indústria para substituir as tubulações fabricadas com os materiais convencionais de engenharia, como o aço. O baixo peso específico, elevada resistência química e mecânica, bem como o menor custo de instalação e manutenção são vantagens que justificam o uso e aprimoramento desses materiais. Os materiais compósitos mais empregados para a fabricação de tubulações são os compósitos de matriz polimérica reforçados com fibras. Durante o tempo de serviço, as tubulações compósitas que são utilizadas no setor de óleo e gás estão sujeitas a ambientes agressivos e intempéries, como exposição a altas temperaturas, umidade e diversos produtos químicos. A temperatura e a absorção de fluidos são as principais causas da degradação das propriedades físicas e químicas desses materiais, reduzindo a resistência mecânica e, consequentemente, a vida útil das tubulações em serviço. Portanto, este trabalho teve o objetivo de avaliar durante o período de 12 meses o efeito dos agentes de degradação em uma tubulação compósita de resina epóxi reforçada com fibras de vidro e carbono. Para tal, amostras da tubulação foram submetidas à temperatura, água, óleo lubrificante e pressão hidrostática. O comportamento mecânico foi avaliado a partir do ensaio de achatamento sob placas paralelas, ensaio sonoro, ensaio colorimétrico, análise de absorção de fluidos, análise térmica e microestrutural. Ao final do experimento foi constatado que todas as condições de envelhecimento causaram degradação similar, com redução das propriedades mecânicas e térmicas, bem como a plastificação da matriz polimérica. / [en] Composite pipes has been used in the industry to replace conventional pipes commonly manufactured with steel. The lower specific weight, high chemical and mechanical resistance, as well as the low cost of installation and maintenance are the advantages that warrant the use of this materials and their development. The most common composite materials used for the manufacture of pipes are the polymer matrix composites reinforced with fiber. During their lifetime, the composite pipes used in the oil and gas facilities are subject to aggressive environments, such as exposure to high temperatures, moisture and various chemical products. Temperature and fluid absorption are the principal causes of degradation of physical and chemical properties of these materials, reducing their mechanical resistance and, consequently, the lifetime of the pipes in service. Therefore, the main objective of this work was to evaluate the effect of degradation agents on an epoxy composite pipe reinforced with fiberglass and carbon fibers for a period of 12 months. To achieve this objective, samples of the composite pipe were submitted to temperature, tap water, lubricant oil and hydrostatical pressure. The mechanical behavior was evaluated using parallel-plate test, sound test, colorimetric test, fluid absorption analysis, thermal and microstructural analysis. At the end of the experimental procedure it was verified that all the aging conditions caused similar degradation, with reduction of the mechanical and thermal properties, as well as the plasticization of the polymeric matrix.