Orientador: Eugênio Spanó Rosa / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-18T15:26:34Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Lima_LuizEduardoMelo_D.pdf: 3018902 bytes, checksum: ac45ca48369c0c21398892fa2f7de5ac (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: Escoamentos gás-líquido são frequentemente encontrados na natureza, bem como em diversas aplicações industriais. Na área de produção de petróleo, por exemplo, em sistemas de elevação natural ou artificial (gas-lift contínuo ou intermitente), gás e óleo escoam simultaneamente em tubulações. A previsão de escoamentos gás-líquido torna-se necessária à viabilidade técnica-econômica de muitos processos industriais, por exemplo, na indústria de petróleo devido ao aumento do consumo mundial de combustíveis e a descoberta de novos campos petrolíferos. Em escoamentos gáslíquido, as fases se distribuem espacialmente e temporalmente ao longo da tubulação dependendo das vazões, propriedades físicas das fases e das características da tubulação, entre outros parâmetros. A combinação destes fatores gera diversos padrões de escoamento gás-líquido que podem ser agrupados em três classes principais: disperso, separado e intermitente. Os principais objetivos deste trabalho são o desenvolvimento e a análise de uma modelagem unidimensional em regime permanente, baseada no modelo de mistura, que permita a simulação de escoamentos isotérmicos gás-líquido em tubulações com seção transversal circular constante, considerando a fenomenologia envolvida nestes escoamentos. Dentre as contribuições obtidas com a realização deste trabalho destacam-se: a identificação das vantagens e limitações do modelo; as análises de suas formulações, dos parâmetros de fechamento e de sensibilidade às variáveis relacionadas aos padrões; a proposição de um método de solução para um modelo fenomenológico de força de atrito na parede, aplicável aos diversos padrões de escoamento gás-líquido. Os resultados do modelo de mistura foram comparados contra dados experimentais do gradiente de pressão de escoamento nos padrões disperso, separado e intermitente, em diversas inclinações de tubo. Além disto, foram realizadas análises envolvendo transição de padrão de escoamento num tubo vertical. Os resultados obtidos demonstraram que o modelo de mistura captura de forma satisfatória o gradiente de pressão para os diversos padrões de escoamento gás-líquido, num único algoritmo de integração / Abstract: Gas-liquid flows are often found in nature as well as in various industrial applications. In the oil production, for example, in natural or artificial lift systems (continuous or intermittent gas-lift), gas and oil flow simultaneously in pipes. The prediction of gas-liquid behavior becomes necessary for technical and economic viability of many industrial processes, for example, the oil industry due to the increase of world oil consumption and the discovery of new oilfields. In gas-liquid flow, the phases are distributed spatially and temporally along the pipe depending on the flow rate, phase's physical properties and pipe characteristics, among other parameters. The combination of these factors creates different gas-liquid flow patterns that can be grouped into three main classes: dispersed, separated and intermittent. The main objectives of this work are the development and analysis of a steady one-dimensional modeling, based on the mixture model, which allows the simulation of isothermal gas-liquid flow in pipes with constant circular cross section, considering the phenomenology involved in these flows. Among the contributions obtained in this work stand out: to identify the advantages and limitations of the model; the analysis of their formulations, closing parameters and sensibility to variables related to the patterns; to propose a solution method for a phenomenological model of the wall friction force, applied to the different gas-liquid flow patterns. The mixture model results were compared against pressure gradient experimental data from flow in the dispersed, separated and intermittent patterns, in different pipe inclinations. In addition, it was performed an analysis of the flow pattern transition in a vertical pipe. The results showed that the mixture model captures satisfactorily the pressure gradient for different gas-liquid flow patterns, in a single integration algorithm / Doutorado / Termica e Fluidos / Doutor em Engenharia Mecânica

Orientador: Eugênio Spanó Rosa / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-23T04:15:03Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Souza_MarcoAntonioSampaioFerrazde_D.pdf: 6867490 bytes, checksum: 80a84e4d200eeba5b304454e706824a5 (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: A fração de vazio é um parâmetro essencial para a descrição da estrutura do escoamento intermitente gás-líquido. Na produção de petróleo, por exemplo, em sistemas de elevação artificial, a técnica de gas-lift é muito utilizada em poços verticais para aumentar a produção e requer a previsão dos fenômenos que influenciam o escoamento intermitente para sua otimização. Estes efeitos incluem principalmente as distribuições radial e axial da fração de vazio. Neste trabalho medidas da fração de vazio no pistão de líquido e na bolha alongada em escoamento bifásico vertical ascendente de ar-água no padrão intermitente em golfadas foram realizadas em diversas razões de vazões de gás e líquido utilizando uma sonda elétrica e um sensor de impedância de anéis. Com um conjunto formado por dois sensores de impedância de anéis gêmeos espaçados entre si foi monitorada a passagem dos pistões de líquido e das bolhas alongadas e foram determinados os comprimentos dos pistões e das bolhas assim como a velocidade de translação do nariz da bolha alongada em uma tubulação de 26 mm de diâmetro. As técnicas de medidas foram validadas resolvendo as equações resultantes do balanço volumétrico na célula unitária com os valores das frações de vazio do pistão de líquido, da bolha alongada e da unidade e das velocidades, comprimentos e frequências obtidos experimentalmente. Esta validação tem por objetivo mostrar a consistência que as medidas experimentais apresentam com o modelo físico conferindo às medidas um alto grau de confiabilidade. Os resultados das frações de vazio do pistão de líquido, da bolha alongada e da unidade pistão-bolha foram comparados com correlações disponíveis na literatura assim como os resultados das frações de líquido do pistão de líquido foram comparados e analisados com os modelos fenomenológicos de fração de líquido disponíveis. Com os testes utilizando a sonda elétrica foi possível levantar além da distribuição axial a distribuição radial da fração de vazio local na seção transversal da tubulação. Os resultados obtidos demonstram a consistência das técnicas de medidas e permitem discutir vários fenômenos que influenciam o escoamento bifásico vertical ascendente de ar-água no padrão intermitente em golfadas / Abstract: The void fraction is an essential parameter for describing the structure of the gas-liquid slug flow. In oil production, for example, in artificial lift systems, the gas-lift technique is widely used in vertical wells to increase the production and requires the prediction of the phenomena which influence the slug flow optimization. These effects primarily include axial and radial distributions of void fraction. In this work measures the void fraction of the liquid piston and the elongated bubble in two-phase flow vertical upward air-water in slug flow pattern were performed at various ratios of gas and liquid flow rates using an electric probe and a rings impedance sensor. With a set of two twin rings impedance sensors spaced was monitored passage of liquid slugs and elongated bubbles and were determined and the lengths of the pistons and bubbles as well as the translation velocity of the nose elongated bubble in a pipe 26 mm id. The measurement techniques were validated by solving the equations resulting from the volume balance in unit cell with the values of the void fractions of the piston liquid, the bubble elongated and the unit and velocities, lengths and frequencies obtained experimentally. This validation is to show the consistency with the experimental measurements show the physical model measures conferring a high degree of reliability. The results of the void fractions of the liquid piston, the elongated bubble and bubble-piston unit were compared with correlations available in the literature and the results of the liquid fractions of liquid piston were compared and analyzed with phenomenological models of liquid fraction available. With the tests using the electric probe was possible to rise beyond of the axial distribution the radial distribution of local void fraction in the cross section of the pipe. The results demonstrate the consistency of measurement techniques and allow discuss various phenomena that influence the two-phase flow in vertical upward air-water slug flow pattern / Doutorado / Termica e Fluidos / Doutor em Engenharia Mecânica