Orientador: Ricardo Augusto Mazza / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-17T08:41:20Z (GMT). No. of bitstreams: 1 BarbosaFilho_FranciscoElpidioVianna_M.pdf: 5790999 bytes, checksum: fa54092632bda478168f180355312ced (MD5) Previous issue date: 2010 / Resumo: O escoamento bifásico padrão golfada de líquido é caracterizado pela passagem alternada de pistões de líquido seguidos por bolhas alongadas de gás. Este trabalho desenvolve um estudo experimental e numérico sobre este padrão de escoamento em uma tubulação contendo uma curva de 90 graus. Essa configuração permite a passagem do escoamento vertical ascendente para horizontal em uma curva com raio interno de 410 mm e diâmetro interno da tubulação de 26 mm. O arranjo experimental permite fazer a medição das propriedades do escoamento padrão golfada antes e depois da passagem pela curva. As grandezas medidas são: a velocidade de propagação das bolhas, os comprimentos de bolhas e pistões, a frequência de passagem e a queda de pressão ao longo da tubulação. Um modelo numérico do tipo slug-tracking é empregado para capturar as alterações das características dos pistões e das bolhas durante a transição vertical para horizontal. O modelo se concentra em capturar os efeitos da mudança de direção relacionados com: a força da gravidade, a aeração pistão líquido e a espessura do filme líquido que envolve as bolhas de gás alongada. Os resultados numéricos foram favoravelmente comparados em relação aos dados experimentais / Abstract: The slug flow pattern is characterized by the alternating passage of liquid slugs trailed by elongated gas bubbles. This work develops an experimental and numerical study in slug flow regime occurring in a 90 degree pipe bend. The pipe bend allows the transition from upward vertical flow to horizontal flow in a curve with inner radius of 410 mm and inside diameter of 26 mm. The experimental set up allows the measurement of the slug flow properties at the inlet and outlet of the pipe bend. The quantities measured are: bubble's nose velocity, bubble and slug lengths, the frequency of passage and the pressure drop. A numerical slug tracking model is employed to capture the changes of the slugs features during the vertical to horizontal transition. The modeling efforts concentrate on the effects of the change of direction on: the gravity force, liquid slug aeration and on liquid film thickness surrounding the elongated gas bubbles. The numerical results compare favorably against the experimental data / Mestrado / Termica e Fluidos / Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Eugênio Spanó Rosa / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-16T06:14:18Z (GMT). No. of bitstreams: 1 GomezBueno_LuisGerardo_M.pdf: 4585840 bytes, checksum: b8ed6708894a46ed052d422f40624935 (MD5) Previous issue date: 2010 / Resumo: Medidas experimentais foram realizadas em uma tubulação de 26 mm de diâmetro interno, com inclinação variável de horizontal a vertical, operando com escoamento de água e ar no padrão intermitente ou "slug". Foram utilizados dois sensores de impedância posicionados 77D e 257D a jusante do misturador de água e ar. As faixas de velocidades superficiais de gás e líquido foram 0,1 m/s a 2,1 m/s e 0,3 m/s a 1,2 m/s, respectivamente. Os ângulos de inclinação da tubulação variaram de 15 em 15 graus desde a horizontal até a vertical. Por meio dos sensores de impedância e de pressão foram determinados os parâmetros: a velocidade do nariz da bolha de ar, o comprimento da bolha e do pistão líquido, a freqüência, o fator de intermitência, a taxa de coalescência e a queda de pressão. Uma análise do comportamento destes parâmetros em função das vazões de água e ar assim como dos ângulos de inclinação é realizada / Abstract: This work analyses experimentally the flow properties of a gas-liquid mixture flowing in the slug regime in inclined lines. The experimental data are collected through a pair of impedance probes placed at 77D and 257D downstream of the air-water mixer in a 26mm ID pipe. During the tests air and water superficial velocities spanned, respectively, from 0,1 m/s to 2,1 m/s and from 0,3 m/s to 1,2 m/s. The tests started with the line positioned at the horizontal, 0 degrees and changed, in steps of 15 degrees each, up to the vertical position or 90 degrees. Along each line position the pressure drop, the bubble velocity, the lengths of the liquid slug and of the elongated bubble, the coalescence rate as well as the frequency of the air-water structures were measured. This work analyses the effect of the line inclination on the slug flow properties / Mestrado / Termica e Fluidos / Mestre em Engenharia Mecânica

[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.

[pt] O estudo do escoamento intermitente de gás e líquido é de enorme relevância. Devido a sua vasta ocorrência em diversos problemas industriais, como na indústria do petróleo, em escoamentos de água e vapor em trocadores de calor e em sistemas de refrigeração de usinas nucleares, diversos estudos experimentais e numéricos buscam obter um conhecimento mais profundo deste complexo fenômeno. Devido a esta complexidade, se fazem necessários experimentos detalhados de maneira a dar suporte aos modelos matemáticos desenvolvidos. O presente trabalho descreve um estudo experimental de um escoamento turbulento gás-líquido no regime intermitente para tubo horizontal. As técnicas de velocimetria por imagem de partícula estereoscópica de alta frequência (SPIV ) e fluorescência induzida por laser (LIF) foram usadas para medir todos os três componentes do vetor de velocidade em diferentes seções do tubo, referenciadas pelo nariz da bolha de gás. A seção de testes consistiu de uma tubulação de acrílico com diâmetro interno de 40mm e 17,7m de comprimento. Os fluidos de trabalho utilizados foram água e ar, com velocidades superficiais de jL igual 0,3 0,4 e 0,5m/s e jG igual 0,5m/s que formaram o padrão de escoamento intermitente. Um sistema de sensores fotossensíveis foi utilizado para medir a velocidade de translação da bolha de gás, além de acionar o sistema SPIV. Desta forma, foi possível determinar os campos médios das três componentes de velocidade da fase líquida do escoamento turbulento gás-líquido em regiões de interesse na vizinhança da bolha alongada. Os dados obtidos revelaram a influência das bolhas de gás de maior velocidade, na dinâmica do campo de velocidade do líquido. Tais dados contém informações valiosas que contribuem não apenas para uma melhor compreensão da física que rege o escoamento, mas também como forma de validação e aprimoramento de modelos numéricos. / [en] The analysis of gas-liquid intermittent flow in horizontal pipes is of great relevance importance due its applications in many industrial problems, such as in the petroleum industry, boiler and heat exchanger tubes and cooling systems of nuclear power plants. A considerable number of experimental and analytical studies have been carried out on the pursuit of a deeper knowledge of this complex phenomenon. The present work describes an experimental study of a horizontal, gas-liquid pipe flow in the intermittent regime. Experimental techniques such as high frequency stereoscopic particle image velocimetry (SPIV ) and laser induced fluorescence (LIF), were applied in order to obtain all three components of the velocity vector at different pipe sections, referred to the gas bubble nose tip. A 40mm inner diameter, 17.7m long acrylic pipe was used as test section (L/D approximately 450). The working fluids, water and air formed the intermittent flow pattern, with superficial velocities of jL equal 0.3, 0.4 and 0.5 m/s and jG equal 0.5 m/s. A set of three photogate sensors, equally-spaced along the pipe, were used to measure the bubble translational velocities, and to trigger the SPIV system, allowing for the determination of ensemble-averaged, threecomponent velocity fields of the turbulent liquid flow in cross-stream planes around the gas bubble. The original data obtained revealed the influence of the faster-moving gas bubbles on the dynamics of the liquid velocity field, providing valuable information that contribute to a better understanding of the physics governing the flow, also serving for the validation of numerical simulations.

Orientador: Sérgio Nascimento Bordalo / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica e Instituto de Geociências / Made available in DSpace on 2018-08-22T17:35:33Z (GMT). No. of bitstreams: 1 OchoaLara_IsmaelOrlando_M.pdf: 12454353 bytes, checksum: de02a7be086b8fd068a57b93d2f5270a (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: Apesar dos avanços alcançados, alguns aspectos da operação do gas-lift intermitente (GLI) convencional permanecem inexplorados ou pouco estudados até o presente, como por exemplo, a concomitância de etapas do ciclo apresentada por Carvalho (2004), ou a estabilidade de ciclos em função da temporização da válvula motora e do ajuste da válvula operadora. Ao mesmo tempo, o bombeio pneumático de Zadson (BPZ) tem apresentado bons resultados em sua aplicação em campos no Brasil, motivando-se estudos para se desenvolverem simuladores computacionais para o projeto e análise destes sistemas. Neste trabalho, foi construído um simulador físico para os métodos GLI convencional e BPZ, para validar simuladores numéricos propostos anteriormente por outros autores. O aparato laboratorial é constituído por quatro conjuntos operacionais: o primeiro conjunto representa a coluna de produção do GLI convencional, o segundo conjunto representa a coluna do BPZ, o terceiro conjunto representa o acoplamento poço-reservatório e o quarto conjunto representa a injeção de gás comprimido. Para a medição, há transdutores de pressão localizados em vários pontos do aparato e tanques de medição do volume produzido. O sistema de aquisição de dados e atuação das válvulas operadora e motora é operado por uma placa micro-controlada. Testes foram realizados alterando-se as variáveis operacionais dos métodos. Como conclusões do trabalho foram identificadas a concomitância das etapas do ciclo GLI, avaliado o fallback para várias condições operacionais, estudada a estabilidade dos ciclos de GLI, e desenhado um mapa operacional das condições de um ciclo GLI regular. Além disso, foi testado o funcionamento de três modos de operação do BPZ / Abstract: Despite the advances achieved so far, some important aspects of the operation of the conventional intermittent gas-lift (IGL) remain unexplored or poorly studied, as for instance, the concurrency of cycle stages, as presented by Carvalho (2004), or the stability of cycles due to motor valve timing and adjustment of the gas-lift valve. At the same time, the Zadson pneumatic pump (ZPP) has presented good results in Brazilian fields, motivating studies to develop computational simulators for the design of this method. In the course of the present work, a physical simulator was built for the IGL and ZPP, to validate numerical simulators proposed by previous authors. The laboratory apparatus consists of four operational sets; the first set is the production column of conventional IGL, the second set is the column of ZPP, the third set represents the well-reservoir coupling and the fourth set is the injection of compressed gas. For measurement, there are pressure transducers located at various points of the apparatus and tanks for measuring the produced volume. The system of data acquisition and actuation of gas-lift and motor valves are operated by a microcontroller board. Tests were performed by changing the operating variables of the gas lift methods. The results of the study are: the identification of the concurrent stages during the IGL cycle, the fallback for various operating conditions, the stability of IGL cycles, and an operating map for the conditions of a stable IGL cycle. In addition, the operation of three lifting modes of the ZPP were tested / Mestrado / Explotação / Mestre em Ciências e Engenharia de Petróleo