Sensores capacitivos são amplamente utilizados em vários sistemas de medida, tanto na indústria como em laboratórios de pesquisa. Estes dispositivos medem variadas grandezas físicas, como deslocamento, força, pressão, densidade e concentração de substâncias em escoamentos bifásicos, entre outros. Sua aplicação vêm sendo utilizada há algum tempo de forma relativamente elementar, necessitando ainda de estudos específicos para entender a fundo o fenômeno de transferência de carga. A sonda proposta neste trabalho visa melhorar a aquisição do sinal capacitivo e obter uma medida precisa de fração volumétrica em condições bifásicas e trifásicas. Portanto, é necessário um circuito transdutor que transmita de forma precisa a capacitância registrada entre os eletrodos dos sensores até uma central de aquisição. Neste trabalho buscamos desenvolver um modelo de sonda para medir frações volumétricas in situ. Para tanto, apresentamos as etapas de calibração dos sensores, através de válvulas de fechamento rápido, e validamos a técnica sob determinadas condições e variados padrões de escoamento. Dois sensores de geometrias distintas (anéis e hélices) foram utilizados na composição da sonda capacitiva não intrusiva. Propõe-se a solução do sistema linear para medição direta de fração volumétrica em escoamento trifásico. / Capacitive sensors are widely employed in many measurement systems in both industry and laboratory activities. These devices measure several physical quantities such as displacement, forces, pressure, density and concentration of substances in two-phase flows. Their application in industry is still insipient, in part because specific studies are still necessary to properly understand the phenomenon of charge transfer. The goal of this research is the development of a non-intrusive double-sensor probe to on-line measurement of in-situ volumetric fractions in two and three-phase flows. Therefore, we present the calibration work, through quick-closing valves, and validation techniques under certain conditions and for different flows patterns. A transducer circuit to transmit the capacitance sign accurately from the sensors to the central acquisition was developed. Two sensors with different geometries (rings and helix) comprise the double-sensor capacitive probe. Finally, we propose the solution of a linear system for the direct measurement of in-situ volumetric fraction in three-phase flow.

The study in formation and evolution of sprays is essential for developing more detailed physical models and new injection strategies for direct injection internal combustion engines. In the present work, the sprays from a multi-hole injector are evaluated in an effort to characterize the effects of the spray development in a constant surrounding air flow. These interactions are studied in terms of the air turbulence characteristics, the inlet air mass flow and the fuel injection pressure. Ethanol sprays are injected in a constant-flow chamber. The apparatus purpose is to isolate the experiment from the fluid flow properties intrinsic to engine operations, such as instabilities and moving walls. The factors that affects the air-spray interactions were assessed with the air velocity fields in the presence of the ethanol spray. The two-phase particle image velocimetry technique was enhanced to allow measuring in the required experimental conditions. In all conditions, the interaction is based in a pressure gradient formed between the inner and outer regions of the spray. The results indicates a different mechanism when compared to quiescent conditions. The recirculation vortex at the spray border is present only in the initial injection stages. However, the end of injection transient, an instability initiated with the injector needle closing, is still present for these conditions. The interaction mechanism accelerates the velocity distributions towards the spray main boundary. The experiments indicate that the increase of the air mass flow modifies the air penetration velocity but without altering the interaction mechanism characteristics. Higher injection pressures suggests a lower degree of air interaction at the initial instants of the spray development. Turbulent intensity distributions are calculated for the air flow during the injection event. The distributions indicate that the sprays attenuate the turbulent intensity in all conditions, consistent with the observations of the velocity fields. To assess the effects of air turbulence, sets of interchangeable perforated plates are used to limit the integral scales of turbulence. The spectrogram analyses indicate turbulence is reduced not only in the integral scales, but also in all the measured frequency scales. The inlet turbulence integral scales of the air flow have little influence in the spray development. In the turbulence field, the power levels at the end of injection were similar regardless of the inlet turbulence integral scales. / O estudo da formação e evolução dos sprays é essencial para o desenvolvimento de modelos físicos mais detalhados e novas estratégias de injeção para motores de combustão interna de injeção direta. No presente trabalho, os sprays de um injetor multi-furos são avaliados em um esforço para caracterizar os efeitos do desenvolvimento do spray em fluxo de ar constante. Estas interações são estudadas em termos de características de turbulência do ar,do fluxo mássico de ar e da pressão de injeção de combustível. Sprays de etanol são injetados em uma câmara de fluxo constante. O objetivo do aparato é isolar o experimento de propriedades do escoamento intrínsecas ao funcionamento de motores de combustão interna, tais como instabilidades e geometrias móveis. Os fatores que afetam as interações de arspray foram avaliados com os campos de velocidade do ar obtidos na presença de spray. A técnica de velocimetria por imagem de partículas de duas fases foi aprimorada para permitir a medição nas condições experimentais. Em todas as condições, a interação é baseada em um diferencial de pressão formado entre as regiões interna e externa do spray. Os resultados indicam um mecanismo diferente quando comparado com condições quiescentes. O vortex formado na fronteira do spray é observado apenas nos estágios iniciais de injeção. No entanto, o transiente de fim de injeção ainda está presente para essas condições. O mecanismo de interação acelera as distribuições de velocidade em direção à fronteira do jato. Os experimentos indicam que o aumento do fluxo de massa de ar modifica a velocidade de penetração do ar, mas sem alterar as características do mecanismo de interação. Distribuições de intensidade turbulenta são calculadas para o fluxo de ar durante o evento de injeção. As distribuições indicam que os sprays atenuam a intensidade turbulenta em todas as condições, consistente com as observações dos campos de velocidade. Para avaliar os efeitos da turbulência do ar, conjuntos de placas perfuradas intercambiáveis são utilizadas para limitar as escalas integrais de turbulência. As análises do espectrograma indicam que a turbulência é reduzida não apenas nas escalas integrais, mas também em todas as escalas de freqüência medidas. Estas escalas integrais de turbulência do fluxo de ar de entrada têm pouca influência no desenvolvimento do spray. No campo de turbulência, os níveis de potência ao final da injeção foram semelhantes, independentemente das escalas integrais de turbulência de entrada.

Orientadores: Maria Regina Wolf Maciel, Antonio Andre Chivanga Barros, Henry França Meier / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica / Made available in DSpace on 2018-08-05T18:14:26Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Soares_Cintia_D.pdf: 3816439 bytes, checksum: e39afd5653e2802b28899a3c09f4753c (MD5) Previous issue date: 2005 / Resumo: Grande parte dos estudos envolvendo colunas de destilação está fundamentada por modelos macroscópicos de conservação de massa e de energia. Exemplo disto são os modelos de estágios de equilíbrio e de não-equilíbrio. Nestes, os aspectos fluidodinâmicos do escoamento são restritos e orientados à medição de parâmetros macroscópicos. Porém, graças aos avanços introduzidos pelo emprego das técnicas da fluidodinâmica computacional (CFD), a análise de processos empregando uma abordagem microscópica tornou-se mais sofisticada e precisa. Além disto, há necessidade de trabalho experimental com o propósito de validar modelos e métodos em CFD e medir outros parâmetros ao longo do equipamento. Dentro deste contexto, este trabalho visa o desenvolvimento de uma metodologia de caráter numérico e experimental que possibilite o estudo do escoamento líquido-vapor, em nível microscópico, em um prato perfurado de uma coluna de destilação. Para tanto, objetiva-se a proposição de um modelo microscópico de conservação da quantidade de movimento, em condições de escoamento turbulento, sob a influência da fase vapor, e de uma metodologia para a aquisição de dados experimentais. A metodologia numérica consistiu em iniciar com um estudo aprofundado do escoamento com superfície livre, utilizando um módulo experimental de hidráulica, seguido do estudo do escoamento monofásico na superfície de um prato perfurado. Estudos em uma coluna de bolhas permitiram a obtenção de experiência com modelos e métodos associados ao escoamento multifásico. Finalmente, foram realizados estudos sobre o escoamento líquido-vapor em pratos perfurados com a proposição de um modelo 3-D e homogêneo. Na metodologia de solução, o principal objetivo esteve relacionado às características numéricas, tais como: fatores de relaxação, esquemas de interpolação, integração temporal, acoplamento pressão-velocidade, entre outras. A metodologia experimental consistiu no projeto e construção de uma coluna de destilação para a simulação física do escoamento líquido-vapor em um estágio a frio, sendo as informações microscópicas obtidas por meio do emprego da técnica de anemometria térmica. Técnicas de visualização do escoamento foram empregadas como ferramenta de análise qualitativa na identificação de padrões de escoamento, como mecanismo de apoio à realização de medidas experimentais e, finalmente, como instrumento complementar de análise para facilitar a interpretação dos resultados. A metodologia numérica permitiu a avaliação de estratégias de solução de modelos e métodos em CFD, além do desenvolvimento de um modelo homogêneo capaz de predizer o escoamento líquidovapor, em nível microscópico, em um prato perfurado de uma coluna de destilação. A metodologia experimental permitiu a caracterização do escoamento em um tanque retangular, entretanto, a técnica de anemometria térmica apresentou limitações quando da aplicação no escoamento bifásico. Na análise dos resultados obtidos concluiu-se que há a ocorrência de diferentes padrões de escoamento no interior de uma coluna de destilação, de acordo com a vazão da fase gás e da geometria do prato, sendo o escoamento não uniforme. Além disto, há uma tendência do fluxo de líquido próximo à parede retroceder, o que resulta no fenômeno de circulação. Outra observação importante foi que a fase vapor, em contato com o líquido fluindo horizontalmente, obtém uma energia cinética na direção do fluxo de líquido / Abstract: Greater part of researches involving distillation columns is based on macroscopic models of mass and energy conservation. Examples are the equilibrium and non-equilibrium stage models. In these cases, the fluid dynamics characteristics are restricted in measuring macroscopic parameters. However, advances introduced by fluid dynamic techniques made possible a more sophisticated and accurate process analysis using a microscopic approach. Researches in this area are indispensable and more experimental studies is necessary in order to validate models and methods in CFD and measure other parameters along the equipment. Based on these statements, this work takes aim the development of a numerical and experimental methodology that enables the study of liquid-vapour flow, in a microscopic level, on a sieve plate of a distillation column. It is proposed the development, implementation and application of a microscopic model for momentum conservation subjected to turbulent flow of the vapour phase, complemented by the development of an experimental methodology for data acquisition in an apparatus in laboratory scale. The numerical methodology consisted to make a deep study of flow with free surface using a hydraulic modulus and a study of a single-phase flow on a sieve plate. Studies in a bubble column allowed building knowledge for modelling momentum transfer phenomenon in multiphase flow. Finally, studies about the liquid-vapour flow in sieve plates were carried out with development of a 3-D and homogeneous model. The main objective in the solution methodology was related to numerical characteristics, such as: relaxation factors, interpolation schemes, temporal integration and pressure-velocity coupling. The experimental methodology consisted in the design and building of a distillation column that simulates the liquid-vapour in a sieve plate. The information related to velocity profiles were obtained by means of definition and implementation of the thermal anemometry technique. During the numerical and experimental studies, flow visualization techniques have also been employed in different ways as a tool for qualitative analysis of different flow patterns, as an assistance to the experimental measures, and finally, as a complement to the analysis, supporting the interpretation of results. The numerical methodology allowed the evaluation of models and methods strategies in CFD, and the development of a homogeneous model able to predict the liquid-vapour flow in a sieve plate of a distillation column. On the other hand, the experimental methodology allowed the evaluation of flow inside a rectangular reservoir, but the thermal anemometry technique presented limitations in the multiphase flow. It was concluded that there is the occurrence of different flow patterns inside the distillation column, according to the gas flow and plate geometry, and the flow is not uniform in the plate surface. Besides, there is a tendency of the liquid flow to go back near the wall, resulting in a circulating zone. Other observation was that the vapour phase, contacting with the horizontally flowing liquid, gains a kinetic energy in the direction of liquid flow / Doutorado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Doutor em Engenharia Química

Orientador: Milton Mori, Marcos A. d'Avila / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica / Made available in DSpace on 2018-08-06T05:47:36Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Santos_CelsoMurilodos_M.pdf: 3396606 bytes, checksum: 6f04eb0860468401aa6369dba2b5c839 (MD5) Previous issue date: 2005 / Resumo: Colunas de bolhas são equipamentos de simples operação, mas que apresentam uma fluidodinâmica complexa. Seu funcionamento básico é dado pela injeção de um gás (fase dispersa) na base da coluna em um meio líquido (fase contínua). Elas são empregadas nas mais diversas áreas industriais, como processos de química fina, reações de oxidação, reações de alquilação, síntese de Fischer-Tropsch, tratamento de efluentes, reações de fermentação e produção de proteínas, e mais recentemente, em cultura de células. Neste trabalho foram realizadas simulações tridimensionais do escoamento transiente em coluna de bolhas utilizando o pacote computacional de CFD CFX® 5.7 (ANSYS®). Este pacote utiliza o método dos volumes finitos para solucionar as equações governantes de transporte em escoamento multifásico, utilizando a abordagem Euleriana-Euleriana, que mostrou-se adequada para este estudo. Os estudos de casos foram feitos para verificar a influência das propriedades da fase contínua (viscosidade e tensão superficial), da fase dispersa (diâmetro das bolhas) e dos modelos de arraste ... Observação: O resumo, na íntegra, poderá ser visualizado no texto completo da tese digital / Abstract: Bubble columns are equipments of simple operation, but presents a complex fluidodynamic. Its basic operation consists of the injection of a gas (disperses phase) in the bottom of the column in a liquid medium (continuous phase). As reactors, they are used in a variety of chemical processes, such as Fischer-Tropsch synthesis, oxidation reactions, alkylation reactions, effluent treatment, fermentation, reactions, protein production, and more recently, in cell cultures. In this work, three-dimensional simulations of the transient flow in bubble columns was performed using the computational package CFD CFX® 5.7 (ANSYS®). This package uses the finite volumes method to solve the governing equations of transport in multiphase flow using the Eulerian-Eulerian approach, which showed to be adequate for this study. The case studies were carried out in order to verify the influence of the properties of the continuous phase (viscosity and superficial tension), the dispersed phase (diameter of the bubbles) and the drag models ... Note: The complete abstract is available with the full electronic digital thesis or dissertations / Mestrado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Mestre em Engenharia Química

Orientador: Milton Mori / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica / Made available in DSpace on 2018-08-12T20:09:08Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Hodapp_MaximilianJoachim_M.pdf: 3485880 bytes, checksum: 79b4777bac2b444262795c5ddaaa44ac (MD5) Previous issue date: 2009 / Resumo: O objetivo deste trabalho foi o estudo comparativo de duas modelagens para representação de um escoamento gás-sólido. Na primeira modelagem avaliou-se uma correlação de arraste apresentada recentemente na literatura, baseada em simulações lattice Boltzmann, aplicada a escoamentos gás-sólido. Na segunda observou-se o efeito da variação do coeficiente de especularidade na condição de contorno na parede sobre os perfis de velocidade da fase particulada. Grande atenção tem sido dada a modelagem matemática de escoamentos multifásicos, em especial ao gás-sólido, uma vez que vários processos industriais utilizam-se desta operação. Porém o desenvolvimento de modelos analíticos que incluam todos os fenômenos de transferência de massa, energia e quantidade de movimento não encontra-se disponível, devido principalmente a grande complexidade dos fenômenos envolvidos. Neste aspecto a fluidodinâmica computacional (CFD) tem demonstrado ser uma boa alternativa para o estudo de sistemas complexos, sendo diversos estudos, não somente de engenharia, aplicando esta técnica, publicados todos os anos. Como forma de validar os resultados obtidos por este método numérico, escolheu-se um caso de estudo em escala de laboratório. Os softwares comerciais ANSYS CFX 10 e FLUENT 6.3 foram utilizados para a definição e resolução do problema, além do pós-processamento. Os resultados obtidos foram comparados com os dados numéricos de um trabalho de mestrado do PQGe, bem como com dados experimentais da literatura. Pode-se perceber que os resultados, para a primeira abordagem não apresentaram melhoras em relação a outras modelagens das forças entre e intra-partículas, além do maior tempo computacional requerido. A segunda abordagem demonstrou valores adequados para o coeficiente estudado / Abstract: The aim of this work was a comparative study of two different modeling to represent a gas-solid flow. The first approach consists of a new drag correlation presented in the literature. This relation was obtained through lattice Boltzmann simulations of gas-solid flow, thus not depending on empirical data. The second looked for the effects of the variation of the specularity coefficient at the wall boundary condition. Multiphase flow modeling is gathering great attention, especially to gas-solid flows, due to its importance in industrial processes. However analytical models that take into account the mass, momentum and energy transfers are not available, mainly because of the complexities evolved in such systems. Therefore Computational Fluid Dynamics (CFD) has proved to be a viable alternative, having a large number of scientific works been published in recent years. In order to validate the results a comparison with other simulations using different modeling, done by another member of the PQGe laboratory, and with experimental data was carried out. The commercial softwares ANSYS CFX 10 and FLUENT 6.3 were used to define and numerically solve the problem, also to post process the results. For the first approach, the comparison showed that the studied drag correlation gave no improvement upon the other two models analyzed. Also a longer computational time was required, which can not be ignored as an important parameter in CFD simulations. As for the second approach, it was possible to obtain adequate values for the specularity coefficient / Mestrado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Mestre em Engenharia Química

Orientador: Antonio Carlos Bannwart / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica, Instituto de Geociencias / Made available in DSpace on 2018-08-14T16:09:37Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Lima_IvanNovilleRochaCorrea_M.pdf: 2854489 bytes, checksum: fec392ec12651861ca4547ea5ce279c9 (MD5) Previous issue date: 2009 / Resumo: O presente trabalho tem por objetivo central a medição experimental do coeficiente de transferência de calor bifásico no padrão gás-líquido horizontal intermitente, por ser este um padrão muito comum nas operações de produção de petróleo. Para alcançar esse objetivo, foi construído um aparato experimental consistindo de uma seção de testes alimentada por uma mistura pré-aquecida de ar e água, a diferentes pares de vazões e temperaturas de entrada. Para realizar a troca térmica, o tubo foi circundado por uma jaqueta de água gelada submetida a diversas vazões e temperaturas de entrada, formando, com o tubo central, uma seção de troca térmica de correntes paralelas. A metodologia experimental consistiu em medir a taxa de transferência de calor do fluido interno para o fluido externo e, a partir da diferença média de temperatura entre o fluido quente e a parede, determinar o coeficiente de transferência de calor entre o fluido quente e a parede, para cada elenco de condições de operação. O procedimento foi realizado tanto para os ensaios em escoamento monofásico como para o escoamento bifásico. Os resultados para o coeficiente de transferência de calor do fluido quente foram comparados às correlações e aos modelos existentes e apresentaram resultados satisfatórios. / Abstract: The main objective of the present work is the experimental measurement of the two-phase heat transfer coefficient in the intermittent horizontal gas-liquid flow pattern. This flow pattern is very common in oil production pipelines. In order to reach this objective, an experimental apparatus was built, consisting of a test section fed with an air-water mixture pre-heated at different pairs of inlet flow rates and temperatures. In order to realize the heat transfer, the pipe was surrounded by a jacket containing cold water under various inlet flow rates and temperatures, forming with the central pipe a heat transfer section of parallel current. The experimental methodology consisted of measuring the heat transfer rate from the internal to the external fluid, and from the average difference of the temperature between the hot fluid and the pipe wall, determine the heat transfer coefficient between the hot fluid and the pipe wall for each cast of operating condition. The procedure was carried through for both single phase and two-phase tests. The results of the heat transfer coefficients between the hot fluid were compared with some correlations and existing models and presented satisfactory results. / Mestrado / Explotação / Mestre em Ciências e Engenharia de Petróleo

Orientador: Milton Mori / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica / Made available in DSpace on 2018-08-14T18:54:23Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Bastos_JaciCarloSchrammCamara_D.pdf: 4353350 bytes, checksum: 0de3633c8edcc4ae2ec7fc57a3b590d0 (MD5) Previous issue date: 2009 / Resumo: Apresenta-se nesta pesquisa uma análise experimental e numérica do comportamento da fase dispersa em um jato circular bifásico confinado e uma comparação com jato circular bifásico livre. Nas análises experimentais, uma câmara pentagonal em acrílico foi utilizada como sistema de confinamento para a obtenção de perfis axiais e radiais de velocidade média, flutuação de velocidade (RMS) e intensidade de turbulência. Estes dados foram analisados a fim de desenvolver uma análise completa da região desenvolvida do jato. Três diferentes jatos foram utilizados para a alimentação da fase gás no topo da câmara, mas apenas o jato central foi carregado com partículas entre 60 e 90µm de diâmetro. Os outros dois foram utilizados para proporcionar uma maior interação entre as fases no interior da câmara. A técnica óptica Phase Doppler Anemometry (PDA), foi empregada na medição da velocidade instantânea da fase sólida e do diâmetro das partículas nas diferentes posições axiais a partir do bico do jato. Nove casos de estudo distintos são investigados individualmente e, em seguida, comparados entre si. Estes casos fornecem informações importantes sobre o comportamento e o efeito do confinamento dos jatos sobre o transporte macrocóspico e turbulento das partículas entre o centro e as regiões de contorno do jato. As análises numéricas tratam da modelagem matemática tridimensional, turbulenta e transiente do escoamento no jato bifásico confinado. O modelo trata as fases gás e sólida a partir de uma abordagem Euleriana. O fechamento das equações de transporte foi realizado utilizando o modelo de turbulência de duas equações k-e para a fase gás e modelos de turbulência de zero-equação para a fase sólida, e ainda em alguns casos esta última apenas sofreu efeitos turbulentos advindos da fase contínua. A acurácia das previsões do modelo em um jato de partículas confinadas com as características médias no tempo, assim como os coeficientes da correlação de turbulência foram avaliados. Perfis radiais de velocidade média e fração volumétrica das partículas foram capturados em quarenta e dois níveis, subdivididos em nove casos e comparados aos dados experimentais adquiridos. O diâmetro médio das partículas utilizado nas simulações foi de 75µm e as velocidades iniciais utilizadas variam entre 3 e 11m/s no jato central. O modelo matemático previu um escoamento desenvolvido semelhante ao que foi encontrado experimentalmente. / Abstract: It is presented in this research an experimental and numerical analisys of the dispersed phase behavior in a circular confined two-phase jet and a comparison with circular free two-phase jet. In the experimental analysis, a pentagonal plexiglass chamber was used as confined system for the axial and radial profiles investigation of mean velocity, fluctuation velocity known as RMS velocity and turbulence intensity. These data were analyzed in order to develop a complete analysis in the developed region of the jet. Three different nozzles were used to feed the gas phase at the top of the chamber, but just the central nozzle was loaded with particles between 60 and 90µm of diameter. The other two were used to increase the interaction between the phases in the chamber. An optical technique known as Phase Doppler Anemometry was used to measure the instantaneous velocity of the solid phase and particle diameter in different axial positions of the jet nozzle. Nine different cases of study are investigated individually and then compared among each other. These cases provide important information about the jets behavior and the confinement effect on the macrocospic and turbulent transport of particles between the jet center and the jet contour regions. The numerical analysis deals with three-dimensional, turbulent and transient mathematical modeling of a confined two-phase jet flow. The model treats the gas and the solid phases from an Eulerian approach. The closure of the transport equations have been accomplished by using the k-e turbulence model for the gas phase and the zero-equation turbulence model for the solid phase, and in some cases the latter suffered turbulent effects occuring only from the continuos phase. The accuracy of the model predictions in a particle-laden confined jet with the characteristics as well as turbulence correlation coefficients have been evaluated. Radial mean velocity profiles for the solid phase were computed on forty two axial levels, subdivided in nine cases and compared to the obtained experimental data. The mean particle diameter used in the simulations was 75µm and the initial velocities used vary between 3 and 11m/s. The mathematical model predicted a flow development similar to that found experimentally. / Doutorado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Mestre em Engenharia Química

Orientador: Milton Mori / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica / Made available in DSpace on 2018-08-10T23:15:40Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Rosa_LeonardoMachadoda_D.pdf: 1367270 bytes, checksum: 1819e68c66a949c1c8fae024725df552 (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: A aplicação de Fluidodinâmica Computacional (CFD) em operações industriais vem aumentando sensivelmente, em razão desta auxiliar no projeto de novos equipamentos, bem como a otimização dos já existentes. O presente trabalho apresenta uma série de simulações tridimensionais, bifásicas e adiabáticas, utilizando-se o modelo de dois-fluidos para o cálculo do escoamento gás-sólido em risers de diferentes tamanhos ¿ um com as dimensões de 10m de altura e 76mm de diâmetro interno, e outro com 18m de altura e 50mm de diâmetro interno. Utilizou-se o modelo k-epsilon para tratar a fase gasosa como turbulenta. Foram considerados os modelos cinéticos de 4 lumps e 10 lumps para o cálculo das taxas de craqueamento catalítico presentes no reator. Dados experimentais para comparação do escoamento foram obtidos em literatura, e os resultados obtidos mostram que, para a correta predição dos fenômenos presentes no interior de um riser, deve-se levar em consideração também as reações de craqueamento, visto que a alteração da composição química da fase gasosa interfere diretamente no comportamento dinâmico do escoamento / Abstract: The application of Computational Fluid Dynamics (CFD) in industrial operations has been increased not only in the project of new equipments but also in the optimization of the existing ones. The present work shows a set of tridimensional two-phase and adiabatic conditions, using the two-fluids model for the calculation of gas-solids flow in a high-flux risers of two different geometries, one with 10m of height and 76mm of internal diameter, and the second with 18m of height and 50mm of internal diameter. The k-epsilon model was applied to consider the influence of turbulence over the gas phase. The four-lump and ten-lump schemes kinetic models were used to predict the catalytic cracking reactions in the two different reactors. The riser with 10m of height and 76 mm of internal diameter had two entrances, one for particles inlet and one for the organic materials. The size of mesh for this case was 584.000 control volumes. The second riser studied with geometry of 18m of height and 50mm of internal iameter had one entrance for vapor, one for organic materials, and a third for particles inlet. The mesh generated over this geometry was considered 650.000 control volumes. The numerical results of gas-solids dispersion flow in a high-flux were compared with the xperimental data from the work of P¨arssinen and Zhu (2001), the four lump scheme for he mass concentration of chemical species was compared with the work of (ALI et al., 997), and the ten lump scheme was compares with the work of NAYAK et al. (2005). The catalytic cracking reactions models show an important role in the prediction of all henomena present in the reactor. The simulated results show that the kinetics models are important not only because of the variation of the gas phase and the temperature profiles inside the reactor but also because these parameters interfere directly in the dynamic behavior of the gas-solid flows / Doutorado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Doutor em Engenharia Química

O objetivo desta dissertação de mestrado é estudar técnicas numéricas para simular escoamentos incompressíveis multifásicos e implementar uma ferramenta computacional utilizando malhas hierárquicas e discretizações por diferenças finitas. São apresentados a formulação matemática e o desenvolvimento do método numérico, levando em consideração o caráter multifásico do escoamento. Foi adotado o modelo de força superficial contínua e a representação da interface foi feita pelo método de acompanhamento de fronteira. São expostos todos os testes realizados durante o desenvolvimento da ferramenta para checar cada etapa do método. Finalmente, testes visando verificar o código foram feitos e os resultados obtidos foram considerados satisfatórios para a verificação da ferramenta aqui desenvolvida. / The objective of this masters degree essay is to study numerical techniques to simulate incompressible multiphase flows and to implement a computational tool using hierachical meshes and discretizations by finite diferences. We introduce the mathematical formulation and the development of the numerical method, for the multiphase flow problem. A continuum surface force model is employed with the interface representation by the front tracking method. We show all tests performed to verify each stage of the methods development. Finally, results obtained in classical benchmark flow tests show good agreement with previous published results, corroborating the validity of this newly developed numerical tool.

Neste trabalho, é apresentada uma análise de estabilidade linear para um sistema flowline-riser. O modelo utiliza as equações de continuidade para as fases líquidas e gasosas e uma equação de momento para a mistura onde são considerados os efeitos de atrito. A mistura água-óleo é modelada de forma homogênea. Para a determinação da fração de vazio, adota-se o modelo de fluxo de deriva, baseado em várias correlações drift. Se o escoamento é estratificado a fração de vazio é modelada através do modelo de equilíbrio local de Taitel e Dukler (1976). Para a caracterização dos fluidos é adotado um modelo de equilíbrio de fase black-oil onde a transferência de massa é considerada entre as correntes óleo e gás em função das condições locais de pressão e temperatura. É considerada a abordagem de parâmetros distribuídos, onde diversas geometrias com discretização variável podem ser consideradas tais como riser em catenária e riser lazy wave. Para realizar a análise de estabilidade linear, as equações do modelo são linearizadas em torno do estado estacionário e discretizadas pelo método das diferenças finitas, onde foi utilizado um programa escrito em Matlab. A partir do sistema linearizado, é avaliada a estabilidade do estado estacionário pelas raízes do polinômio característico, que são solução do problema de autovalores e autovetores. É avaliada a convergência numérica do modelo e mapas de estabilidade são apresentados para vários sistemas de produção de petróleo. Os resultados obtidos numericamente são comparados com pontos operacionais de sistemas reais de produção de petróleo. Observou-se que o modelo convergiu para todos os casos avaliados e apresentou ótima concordância com os dados de campo. / This work presents a linear stability analysis for a flowline-riser system. The model considers continuity equations for the liquid and gas phases, and a momentum equation for the mixture that accounts for friction effects. The water-oil mixture is modeled as being homogeneous. The void fraction is determined by using the drift-flux model based on several drift correlations. For stratified flow, the void fraction is expressed by the local equilibrium model of Taitel and Dukler (1976). Fluid characterization uses a black-oil model that considers mass transfer between the oil and gas flows as a function of the local pressure and temperature conditions. In the proposed approach with distributed parameters, several geometries with variable discretization can be considered, such as catenary and lazy wave risers. To perform the linear stability analysis, the equations of the model are linearized around the stationary state and discretized using the finite difference method, implemented using custom-written code in Matlab. From the linearized system, the stability of the steady state is evaluated by computing the roots of the characteristic polynomial equation of the eigenvalues and eigenvectors problem. Convergence of the numerical model is evaluated and stability maps for several oil production systems were presented. Numerical results were compared with the actual measurements of oil production systems. The model converged in all cases tested and presented an excellent agreement with field data.