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.

Um modelo matemático multifásico para a solidificação equiaxial de ligas binárias capaz de prever o efeito de taxa de resfriamento e da concentração de soluto no tamanho médio final de grãos foi proposto no presente trabalho. O modelo matemático foi desenvolvido através do conceito de envelope envolvendo os grãos, utilizando as equações de conservação de energia, massa e espécies químicas. O modelo de nucleação utilizado possibilita que novos núcleos possam surgir durante todo o período de resfriamento. As equações diferenciais foram obtidas através de uma média volumétrica das equações de conservação em um volume elementar representativo contendo três \"pseudofases\": sólido, líquido interdendrítico e líquido extradendrítico. O efeito de algumas variáveis de processamento sobre o tamanho médio final de grão foi analisado. Os resultados do modelo proposto foram comparados com resultados de alguns modelos disponíveis na literatura. / A multiphase mathematical model for the equiaxed solidification of binary alloys was proposed in the present work to predict the effects of the cooling rate and the average solute concentration on the final average grain size. The mathematical model was based on the concept of the grain envelope and on the conservation of energy, mass and chemical species. A nucleation model was adopted to consider the nucleation of new grains during the whole solidification time. The differential equations were derived from the volume average of conservation equations within a representative elementary volume that consisted of three pseudophases: solid, interdendritic liquid, and extradendritic liquid. The effect of some processing variables on the final average grain size was studied. The results from the proposed model were compared with those available in the literature from other models.

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 descoberta de petróleo na camada do Pré-Sal fez com que a Petrobras envestisse cerca de 240 bilhões de dólares. Uma etapa crítica desta indústria é o transporte de petróleo, que envolve o sistema água-óleo. O objetivo do presente trabalho é estudar uma corrente água-óleo em um tubo reto e em uma curva, com o intuito de gerar perfis de velocidades, pressões e densidades em CFD. Para as simulações desenvolvidas foram considerados: fluxo 3D, escoamento turbulento na fase óleo e escoamento laminar na fase água, isotérmico e incompressível. Foram realizados estudos nos estados estacionário e transiente. Foi desenvolvido o estudo de convergência da malha. As ferramentas do Phoenics utilizadas para representar a interação entre as fases foram o IPSA e o Algebraic Slip. O IPSA resolve as equações de Navier-Stokes para cada fase. No Algebraic Slip, postula-se que existe um meio contínuo em que existem vários componentes da fase dispersos, podendo estes ser gotas, bolhas ou partículas sólidas. A turbulência foi avaliada utilizando os modelos K- padrão e o K-, porém só houve redução considerável dos resíduos para o K- Padrão. As densidades geradas nas simulações em CFD foram comparadas visualmente com os resultados experimentais obtidos em trabalho anterior para fluxo multifásico. As quedas de pressão obtidas em simulação foram comparadas com os dados da literatura, onde foi possível observar a grande redução da perda de carga ao utilizar a técnica de envolver o óleo com um anel de água na tubulação. As simulações realizadas com o modelo Algebraic Slip, e o modelo de turbulência foram consideradas como validadas. / With the discovery of oil in the pre-salt layer, Petrobras was encouraged to invest about 240 billion dollars. A critical point of this industry is the oil transport, which encompasses oil-water system. The objective of the present work is to study the flow of water and oil into a tube and an elbow, in order to generate distributions of velocity, pressure and density by using a CFD tool. To develop simulations the following is assumed: 3D flow, turbulent flow in oil phase and laminar flow in water phase, isotherm and incompressible flow. Steady-state and transient studies have been done. The mesh convergence has been carried out. The IPSA and Algebraic slip were the Phoenics tools that were used to represent the phases interaction. The IPSA solves the Navier-Stokes equations for each phase. In the Algebraic Slip model, one assumes that a continuum mean exists where the other components are dispersed, which can be bubbles or solid particles. The turbulence was evaluated by using K- standard and K- models; however, the considerable reduction of residue to the K- Standard was observed. The densities modeled by CFD were visually compared to the experimental results that were obtained in a previous work for a multiphase flow. The simulations of head loss were compared to literature data, and it can be seen a big difference between the head loss that was obtained by using water and that no using water. The simulations of Algebraic Slip model and the use of turbulence model were considered as validated.

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.

O presente trabalho tem como objetivo fundamental a construção de um sistema de identificação capaz de diagnosticar em tempo real as diferentes configurações de escoamentos bifásicos horizontais. É importante ressaltar que o desenvolvimento deste know-how é capital para a operação eficaz de instalações de manipulação e ou transporte de fluidos multifásicos, e representa, hoje, um dos grandes desafios nas indústrias do petróleo e termonuclear. O princípio de funcionamento do sistema proposto baseia-se nos sinais captados por um sensor de pressão flutuante de resposta rápida, e no seu pósprocessamento com auxílio da transformada de Gabor e de uma rede neural convenientemente treinada. A implementação é tal que a operação de diagnóstico pode ser feita on-line, desde a aquisição dos sinais até o pósprocessamento. Resultados experimentais foram obtidos no circuito experimental do NETeF - Núcleo de Engenharia Térmica e Fluidos da USP - Universidade de São Paulo, para uma secção de testes horizo ntal com 12 m de comprimento e diâmetro interno de 30 mm. Em específico foram ensaiados os seguintes padrões de escoamento ar-água: estratificado liso, ondulado, intermitente, anular e a bolhas. Os resultados mostram que, dependendo dos limites de detecção pré-estabelecidos, todos o principais padrões de escoamento bifásico horizontal são identificados corretamente. / The fundamental objective of this work is the construction of an identification system capable of diagnosing in real time different configurations of horizontal two-phase flow patterns. It is important to emphasize that the development of this know-how is capital to the efficient operation of facilities for manipulation and transportation of multiphase fluids, and represents, today, one of the most important challenges in the oil and thermonuclear industries. The working principle of the proposed system is based on the signals acquired by a rapid response fluctuating pressure sensor, and on its post processing through Gabor Transform and on a conveniently trained artificial neural network. The implementation is accomplished in way that the diagnosis operation is performed on-line, from signal acquisition to post-processing. Experimental results were obtained on the experimental circuit at NETeF - Núcleo de Engenharia Térmica e Fluidos of USP - Universidade de São Paulo, at São Carlos, using a horizontal test section, with 12 m length and 30 mm internal diameter. Experiments were done with the following air-water flow patterns: stratified smooth, wavy, intermittent, annular, and bubbly. Results show that, depending on the preset detection limits, all the main horizontal two phase flow patterns were correctly identified.

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.

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.