Orientadores: Fernando de Almeida França, Edson Yoshihito Nekagawa / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-07-20T08:46:19Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Sousa_JoaoTadeuVidalde_M.pdf: 30145690 bytes, checksum: 24119006d22dc1551983013469607047 (MD5) Previous issue date: 1995 / Resumo: O presente trabalho apresenta os resultados de uma investigação experimental realizada para avaliar a influência de um meio não-newtoniano e da inclinação da tubulação sobre a velocidade de ascensão de bolhas alongadas. o aparato experimental consiste de um tubo de acrílico transparente de 9,44 m, com diâmetro interno de 77,2 mm, que pode se fixado em qualquer inclinação entre as posições horizontal e vertical. Foram utilizadas válvulas de fechamento rápido para a medição da fração de vazio volumétrica, e sondas de condutividade elétrica para a determinação da velocidade e comprimento das bolhas alongadas. Foram realizados 622 testes, tendo ar como a fase gasosa e uma solução de goma xantana como o fluido de perfuração com comportamento não-newtoniano, para diversas inclinações do tubo. Adicionalmente, foram realizados 619 testes com a mistura ar-água. Os resultados experimentais foram comparados com trabalhos já publicados / Abstract; This work shows the results of an experimental investigation carried out to evaluate the influence of a non-Newtonian medium and pipe inclination on the rise velocity of elongated bubbles. The experimental apparatus consists of a 9.44 m long transparent pipe with 77.2 mm inside diameter that can be set at any inclination from vertical to horizontal. It contains ball valves that allows measurements of volumetric void fractions, and electrical conductivity probes for length and velocity determination of elongated bubbles. For several pipe inclinations, 622 tests were run using air, as the gas phase, and Xanthum Gum solution, as the drilling fluid with non-Newtonian behavior. Additional 619 tests were run for air-water mixture. The experimental results were compared with previous works / Mestrado / Mestre em Engenharia de Petróleo

Em virtude da sua facilidade de operação e elevada eficiência, sedimentadores são bastante utilizados pelas indústrias na separação de componentes com diferentes densidades. Porém o desempenho do tanque sedimentador depende do campo de fluxo dentro do equipamento que, por sua vez, é influenciado pelas características dos sólidos em suspensão, da geometria e dimensões do tanque separador. As características hidrodinâmicas em um sedimentador circular vertical foram investigadas no presente trabalho, tanto por abordagens experimentais como numéricas. As experiências foram realizadas por velocimetria de imagem de partículas em um protótipo de sedimentador, construído em acrílico cristal transparente. As simulações foram realizadas, utilizando o pacote ANSYS CFX na versão 16.0, considerando escoamento 3D, turbulento, isotérmico e em regime permanente. O modelo em fluidodinâmica computacional foi criado em forma progressiva. Inicialmente, foram testados modelos para o sistema monofásico (água) e verificados através da comparação aos dados experimentais. Seis modelos de turbulência do tipo RANS foram analisados: epsilon, Renormalization Group (RNG) k-epsilon, k-omega, Shear Stress Transport (SST) e os de tensão de Reynolds (BSL RSM e SSG RSM). Para o estudo bifásico, empregou-se o modelo multifásico Euler-Euler, juntamente com o modelo de partícula e o de Gidaspow. Nesta situação, diversas configurações de condições de contorno e modificações no projeto do tanque original foram analisadas por meio de campo vetorial, linhas de fluxo, planos de concentração volumétrica e de energia cinética turbulenta. Os resultados mostraram que o modelo de turbulência BSL RSM foi o mais adequado para descrever o escoamento no sedimentador contínuo, sendo capaz de prever as recirculações e as variações de velocidade ao longo do equipamento. As zonas de recirculações (posição e intensidade) mostraram-se influenciadas pelas condições de contorno e forma geométrica do tanque de separação. Foi verificado que o aumento do diâmetro do tanque sedimentador (em 40,0%) provocou um favorecimento na separação água e sólido, elevando a eficiência em 17,3%, enquanto o aumento da altura (em 40,0%) do tanque reduziu a eficiência de separação em 27,5% em comparação ao projeto original. / Due to their operation facility and high efficiency, settlers are widely used by industries for separating components of different densities. The performance of sedimentation, however, depends on the flow field is inside the equipment, which in turn is influenced by the characteristics of the solids in suspension and by the geometry and size of the separation tank. The hydrodynamic characteristics of a vertical circular settler were investigated in the present work by means of both experimental and numeric approaches. The experimental analyses were carried out by particle image velocimetry in a settler prototype built in transparent crystal acrylic. The simulations were carried out using the software ANSYS CFX version 16.0, considering a 3-D, turbulent, isothermal and steady-state flow. The computational fluid dynamics model was used in the progressive approach. The models were initially tested for the one-phase process (water) and checked against the experimental data. Six RANS turbulence models were analyzed: k-epsilon, Renormalization Group (RNG) k- epsilon, k-omega, Shear Stress Transport (SST) and Reynolds Stress models (BSL RSM and SSG RSM). For the two-phase flow, the Euler-Euler multiphase model was used together with the particle model and the Gidaspow model. In this context, several configurations of boundary conditions and modifications in the original tank design were analyzed using vector field, flow lines, volumetric concentration and turbulent kinetic energy. The results showed that the BSL RSM turbulence model was more appropriate to explain the flow in the continuous settler, being able to predict the recirculations and velocity variations along the equipment. The recirculation zones (position and magnitude) were influenced by the boundary conditions and by the geometric shape of the separation tank. It was found that an increase in the diameter of the settler tank (in 40.0%) favored the water and solid separation, increasing its efficiency by 17.3%, while an increase in the height of the tank (in 40.0%) reduced the efficiency of separation by 27.5% when compared to the original design.

Este trabalho descreve um método para expandir a aplicabilidade do sistema FreeFlow-2D para problemas de escoamentos de fluidos multifásicos. Este método permite a simulação de escoamento de fluido multifásico, incompressível e com superfície livre. Um número arbitrário de fases com propriedades diferentes pode ser utilizado. Tensões superficial e interfacial são também consideradas. A técnica numérica utilizada baseia-se no GENSMAC (Generalized-Simplified-Marker-and-Cell) e consideram-se propriedades variáveis de acordo com a posição da interface durante o escoamento. O campo de velocidade é computado utilizando-se às equações de Navier-Stokes discretizadas por esquema de diferença finita numa malha deslocada. O método foi implementado em três módulos: Modelador, Simulador e Visualizador. A validação foi efetuada comparando-se os resultados numéricos com resultados analíticos e experimentais. O método mostrou-se robusto e computacionalmente eficiente para os problemas considerados. / This work describes a method to expand the applicability of the system FreeFlow-2D in multi-phase flows problems. This method allows the simulation of incompressible free surface multi-phase flows. An arbitrary number of phases having different properties can be used. Surface and interface tension effects are also considered. The numerical technique is based on the GENSMAC (Generalized-Simplified-Marker-and-Cell) and it considers the properties varying according to the position of the interfaces in the flow. The velocity field is computed using the Navier-Stokes equations discretized by finite-difference on stagered grid. The method was implemented in three modules: the modeling module, the simulation module, and the visualization module. The validation was effected by comparing numerical results with analytical and experimental results. The method shown to be robust and computationally efficient in the problems considered.

Orientador: Henry França Meier. / Coorientador: Rodrigo Koerich Decker. / Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) - Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química, Centro de Ciências Tecnológicas, Universidade Regional de Blumenau, Blumenau.

Escoamentos multifásicos estão presentes em diversas aplicações industriais, principalmente na indústria do petróleo. Um dos casos de aplicação, objeto de estudo desse trabalho, é a determinação da produção de poços de petróleo através de válvulas choke. É apresentada uma revisão dos efeitos físicos e do equacionamento adotado pelos principais modelos multifásicos existentes para tais válvulas. Um estudo de sensibilidade de tais efeitos físicos é realizado, analisando as possíveis alternativas para a diferença de velocidade entre as fases, o mecanismo adotado para a troca de calor entre as fases, a influência da energia cinética a montante da válvula, a influência da área efetiva da garganta e a metodologia de cálculo da recuperação de pressão a jusante da válvula. Conclui-se que dos diversos fatores que influenciam no cálculo da vazão mássica e da condição crítica, a área efetiva da garganta é um parâmetro importante e que é necessário uma maior investigação de como determinar tal parâmetro. / Multiphase flow are present in many industrial applications, mainly at the petroleum industry. One of these application cases, aim of this work study, is to determine a petroleum well production by the choke valves. It is presented a revision of the physical effects and for the adopted equation by the main existing multiphase models for such valves. A sensibility study of such physical effects is performed, analyzing the possible alternatives for the phases velocities difference, the adopted mechanism for the heat transfer between the phases, the upstream kinetic energy influence, the throat effective area influencie and the calculation methodology adopted for the valve downstream pressure recover. It is concluded that from many factors that influence in the mass flow and critical condition calculation, the throat effective area is a important parameter and it is necessary a deeper investigation in how to determine such parameter.

O processo de condensação de vapor no interior de turbinas danifica sua superfície interna e as palhetas dos rotores, além de diminuir a eficiência termodinâmica nessa região. Para estudar o processo de condensação de vapor em estágios de turbinas, foi proposto neste trabalho uma simplificação da geometria, estabelecendo o escoamento de vapor úmido em uma grade de bocais baseado no modelo de rotor de uma turbina a vapor real. Um estudo preliminar do bocal supersônico de Laval 2D (convergente-divergente) foi realizado devido à possibilidade de validar o procedimento de uso do código CFD com base em dados experimentais adequados. O objetivo desta tese é avaliar o escoamento e investigar como a variação dos parâmetros térmicos, como temperatura e pressão, alteram o ponto de início da condensação, analisando a região de nucleação e crescimento das gotículas entre as palhetas da grade. O fenômeno da condensação foi modelado com base na teoria da nucleação clássica. Nesse trabalho, o modelo matemático deste escoamento compressível multifásico foi resolvido numericamente usando o método dos volumes finitos com uma abordagem baseada na densidade com os modelos de turbulência realizável e SST. Os resultados das simulações mostraram que, tanto para o bocal de Laval quanto para a grade de bocais, o fenômeno da mudança de fase é responsável por perdas termodinâmicas significativas no escoamento e que a fração de massa líquida é influenciada diretamente pela temperatura de admissão do vapor e pela diferença de pressão estabelecida entre a entrada e a saída do domínio, atingindo valores elevados em regiões próximas às superfícies das palhetas.

This work consists in a numerical simulation of a spray jet: a two-phase flow composed by a gaseous and a liquid phase. The gaseous phase is treated as a continuous medium, and the liquid phase is treated as a dispersed phase. An asymptotic approximation of zero Mach number was applied to the gaseous phase in order to account for density variations due to temperature gradients without dealing with extra complexities of the fully compressible flow formulation. The effects of turbulence on the gas flow were modeled using the concept of turbulent viscosity determined by a system of two partial differential equations, the so called k-epsilon model. The liquid dispersed phase was modeled as point-particles, to whom thermodynamic properties and 0-d models for momentum, heat and mass transfers were assigned. The gaseous phase was discretized and numerically solved using the finite volume method. The numerical results were compared to measurements and a reasonable prediction was found. It was verified, though, underestimations of droplet velocity and evaporation rate.

Submitted by Silvana Teresinha Dornelles Studzinski (sstudzinski) on 2016-02-17T16:06:10Z No. of bitstreams: 1 Guilherme Alfredo Genehr_.pdf: 3248455 bytes, checksum: 2c7c7d772f1c7cc1743b696d11f69d05 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-02-17T16:06:10Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Guilherme Alfredo Genehr_.pdf: 3248455 bytes, checksum: 2c7c7d772f1c7cc1743b696d11f69d05 (MD5) Previous issue date: 2015-11-20 / UNISINOS - Universidade do Vale do Rio dos Sinos / Este trabalho apresenta a caracterização física de amostras de biomassas e inertes e a caracterização da fluidodinâmica de misturas binárias entre biomassa e areia, através da determinação das curvas de fluidização destas misturas. Como biomassa foram utilizadas casca de eucalipto (Eucalyptus) e casca de pinus (Pinus elliotti). Os experimentos foram realizados em um leito de bancada desenvolvido na Unisinos com diâmetro interno de 9,4 cm e 1,2 m de comprimento. A amostra de pinus possui um tamanho de partícula médio de 579,13 μm e a amostra de eucalipto um tamanho médio de partícula de 537,50 μm com massas específicas de 1,271 g/cm³ e 1,386 g/cm³ respectivamente. As misturas foram feitas com proporções entre 1,43% até 41,89% de massa de biomassa. Para os ensaios fluidodinâmicos foram determinadas as velocidades características inicial (ufi), aparente (ufa) e completa (ufc), além da velocidade de mínima fluidização (umf). Os métodos empregados foram o gráfico de queda de pressão em função da velocidade do gás e observações. As análises foram feitas com base na influência da natureza da biomassa, a fração de massa de biomassa contida na mistura e a comparação dos resultados experimentais em relação a correlação proposta na literatura. Os resultados mostraram que com o aumento da proporção de biomassa as velocidades características tendem a aumentar, com exceção das amostras de areia 01 com pinus. A correlação proposta pelos autores Paudel e Feng (2013) apresentou uma boa estimativa para a previsão da velocidade de mínima fluidização de misturas de biomassa e inerte com erros relativos médios absolutos de 12,70%, 31,90%, 140,33% e 19,10% para as misturas de areia 01 com eucalipto, areia 02 com eucalipto, areia 01 com pinus e areia 02 com pinus, respectivamente. / This paper presents the physical characterization of samples of biomass and inert and the characterization of fluid dynamics of binary mixtures of sand and biomass, by determining the fluidization curves from these mixtures. Eucalyptus bark (Eucalyptus) and pine bark (Pinus elliottii) were used as biomass. The experiments were performed in a bench bed developed at the Unisinos with an internal diameter of 94 cm and 1.2 m in length. The biomass samples have an average particle size of 579.13 μm for pine and 537.50 μm for eucalyptus with specific real mass of 1,271 g/cm³ and 1.386 g/cm³ respectively. The mixtures were prepared with proportions between 1.43% to 41.89% by weight of biomass. The initial (ufi), the apparent (ufa), the complete (ufc), and the minimum fluidization velocity (umf) were determined for fluid dynamic tests. The methods employed were the pressure drop graph as a function of gas velocity and observations. The analyzes have been performed concerning the influence of the nature of the biomass, the mass fraction of biomass contained in the mixture and comparison of the experimental results regarding the correlation proposed in the literature. The results showed that with the increase of the proportion of biomass characteristics speeds tend to increase, with the exception of the sand 01 with pine mixtures. The correlation proposed by the authors Paudel and Feng (2013) presented a good estimate for the prediction of the minimum fluidization velocity of mixtures of biomass and inert with absolute average relative errors of 12.70%, 31.90%, 140.33% and 19.10% for mixtures of sand 01 with eucalyptus, sand 02 with eucalyptus, sand 01 with pine and sand 02 with pine respectively.

A estimativa das taxas de coalescência em sistemas de fluxo multifásico é um factor chave para prever situações críticas , em que as fases começam a separar . Esta pode ser uma orientação para controlar a estabilidade da emulsão e para impedir a substituição desnecessária em processos em que são usados de óleo / água (O / A) dispersões . Estudos CFD apresentar alternativas atraentes para prever o aumento de tamanho de gota , devido a fenômenos de coalescência nos casos em que as emulsões fluem através de diferentes sistemas de circulação , e estão sujeitas a repentinas expansões e contrações . Neste estudo o comportamento de emulsões sob diferentes condições de fluxo foi investigada por acoplamento em equações de Navier Stokes com modelos de equilíbrio populacional e de gotículas de coalescência. Este estudo analisa os efeitos de coalescência em um sistema de O / A, quando as forças hidrodinâmicas promoverem eventos em que duas gotículas colidem para dar origem a novas gotículas. No estudo, o desempenho dos diferentes modelos de turbulência (K-, k-Q) é comparado a avaliar a sua influência sobre a interacção entre as fases. Diferentes algoritmos para acoplamento pressão-velocidade (PIMPLE, SIMPLEC, PIMPLEC) são avaliados também, uma vez que podem afetar os tempos computacionais e de convergência. O efeito das condições de fluxo e as propriedades de cada fase da distribuição de tamanho das gotículas é estudado para o fluxo de emulsões O / A numa tubagem com súbita alargamento. Os resultados permitem avaliar o efeito de coalescência e modelo de eficiência na média de gotículas de diâmetro Sauter. O desempenho de cada modelo em relação ao tempo computacional e a convergência é também discutida. / The estimation of coalescence rates in multiphase flow systems is a key factor to predict critical situations, in which phases start to separate. This can be a guideline to control emulsion stability and to prevent unnecessary replacement in processes where oil/water (O/W) dispersions are used. CFD studies exhibit attractive alternatives to predict the increase of droplet size due to coalescence phenomena in cases where emulsions flow through different circulation systems, and are subject to sudden expansions and contractions. In this study the behavior of emulsions under different flow conditions was investigated by coupling Navier Stokes equations with population balance and droplet coalescence models. This study analyzes coalescence effects in an O/W system, when hydrodynamic forces promote events in which two droplets collide to give rise to new droplets. In the study, the performance of different turbulence models (k-, k-) is compared by evaluating their influence on the interaction between phases. Different algorithms for pressure-velocity coupling (PIMPLE, SIMPLEC, PIMPLEC) are also evaluated, since they can affect computational times and convergence. The effect of flow conditions and properties of each phase on droplet size distribution is studied for the flow of O/W emulsions in a pipeline with sudden enlargement. The results enable to evaluate the effect of coalescence model and efficiency on the mean Sauter diameter of droplets. The performance of each model with respect to computational time and convergence is also discussed.

A indústria de petróleo e gás tem trabalhado para o desenvolvimento de métodos que permitam o monitoramento e controle da produção de fluidos nos poços. Para isso são desenvolvidos equipamentos específicos para medição de vazões. Este trabalho apresenta um sistema baseado em medidores de vazão por obstrução ou pressão diferencial (placas de orifício, bocais e Venturis) para determinação em linha de vazões de produção (óleo, gás e água) em poços de petróleo. A partir das equações de conservação da massa e do momento para escoamento unidimensional e considerando escoamento isotérmico com fases incompressíveis, sem mudança de fase, com fases líquidas homogeneizadas e com escorregamento constante entre as fases líquida e gasosa, é deduzida uma relação geral entre vazão mássica total e queda de pressão. Utilizando a correlação de Chisholm para o escorregamento, é realizada uma comparação entre os resultados obtidos com o modelo homogêneo e o modelo de escorregamento constante. Por meio de uma caracterização dos fluidos em produção em estado permanente e utilizando o modelo de black oil para o sistema óleo-gás, são determinadas as vazões de produção na condição de referência. São realizadas validações dos resultados do modelo com dados experimentais obtidos numa bancada experimental em Aracaju (Sergipe) e em poços de Urucu (Amazonas). A comparação com os resultados experimentais mostra que as predições feitas com o modelo de escorregamento podem ser consideradas satisfatórias, levando-se em conta que o modelo foi desenvolvido de maneira independente, sem parâmetros de ajuste dos dados experimentais. / The oil and gas industry has been working to develop methods to monitor and control the fluid production in the wells. For this purpose, specific equipments are developed for measuring stream flows. This work presents a system based on differential pressure (or obstruction) flow meters (orifice plates, Venturis and nozzles) for online determination of production flows (oil, gas and water) in oil wells. Starting from the mass and momentum conservation equations for one-dimensional, isothermal flow and considering incompressible phases without phase change, homogenized liquid phases and constant slip between gas and liquid phases, a general relationship between total mass flow and pressure drop is derived. Using Chisholmts correlation for the slip, a comparison is made between the results obtained with the homogeneous model and the constant slip model. Through a characterization of the production fluids in steady state and using the black oil model for the oil-gas system, the production flows are determined at the reference condition. A validation is made between results obtained with the model and experimental data obtained in a rig at Aracaju (Sergipe) and in wells at Urucu (Amazonas). The comparison with experimental results shows that the predictions made with the slip model may be considered satisfactory, taking into account that the model was developed independently, without parameters adjusted from the experimental data.