Here we seek to identify the conditions for the collapse of the molten metal layer surrounding a keyhole filled with vapor and liquid particles during high power density laser and electron beam welding processes. Investigating the collapse of the liquid layer is essential for a fundamental understanding of pore formation in the keyhole mode welding. We treat the collapse of the keyhole as similar to a transition between the slug and annular two-phase flows in a vertical pipe of varying cross-section. A quasi-steady, one-dimensional model for two-phase flow is developed and solved assuming that the mixture in the core is homogenous. Ignoring friction within the liquid layer and considering supersonic flow in the keyhole, the two phase flow regimes can be divided into four regions characterized by entrainment and deposition of liquid particles. Keyhole collapse occurs from entrainment, whereas the keyhole exhibits wavy shape from deposition. A condition for the formation of macro-porosity based on a fundamental understanding of annular two-phase flow is presented.

Orientador: Antonio Carlos Bannwart / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica e Instituto de Geociencias / Made available in DSpace on 2018-08-15T14:50:36Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Granzotto_DesireeGrenier_M.pdf: 5773051 bytes, checksum: 11febefe7b30f0680e59ad8a34976576 (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: As grandes reservas mundiais de óleo pesado e os elevados preços do barril de petróleo tornam essencial o desenvolvimento de tecnologias de elevação e transporte desses óleos. O óleo pesado, com suas características desfavoráveis de alta viscosidade (100 - 10000 cP) e de densidade (abaixo de 20° API), necessita de métodos específicos que viabilizem sua movimentação em dutos a altas vazões. Para isto, um dos métodos mais simples e que não requer utilização de calor ou diluentes é oferecido pelo escoamento anular óleo-água (core-flow). Entre as questões ainda não resolvidas sobre esse escoamento está o controle do escoamento bifásico, de modo a se obter uma operação segura com a razão água-óleo adequada. Neste trabalho é apresentada uma modelagem do escoamento anular de óleo viscoso e água em regimes permanente e transiente no interior de um duto horizontal. Das possíveis estratégias de controle, optou-se, por simplicidade, pelo controle da vazão de água a uma dada vazão de óleo (desejada para a linha), através da atuação na rotação da bomba d'água. A modelagem permanente da perda de carga em escoamento anular foi ajustada aos dados experimentais colhidos em uma linha de aço de 2,5 polegadas de diâmetro nominal e comprimento 30 m, para diversas combinações de vazões de óleo e água, devido a certa aderência do óleo na parede do duto. A modelagem transiente satisfaz o critério clássico de estabilidade de Ledinegg. Esses resultados possibilitaram projetar e testar um sistema de controle para a vazão de água em duas versões: proporcional-integral (PI) e fuzzy. As comparações permitiram concluir pelo melhor desempenho do controlador fuzzy, por suas características e robustez / Abstract: The significant heavy oil reserves worldwide and the presently high crude oil prices make it essential the development of technologies for heavy oil production and transportation. Heavy oils, with their inherent features of high viscosity (100-10,000 cP) and density (below 22°API) require specific techniques for pipe flow at high flow rates. For this purpose, one of the simplest methods, which does not require use of heat or diluents, is provided by oil-water annular flow (core-flow). Among the still unsolved issues regarding core-flow is the two-phase flow control, in order to obtain a safe operation of the line at the lowest possible water-oil ratio. In this work a model of the viscous oil-water annular flow in a horizontal pipe for both steady and unsteady regimes is presented. From the possible strategies, the water flow rate control for a given oil flow rate was selected for simplicity. Due to the observation of some oil adherence to the wall, the steady state flow model was adjusted to experimental data collected in a 2.5 inches, 30 meters long steel pipe at several combinations of oil and water flow rates. On the other hand the transient model is shown to satisfy the well-known Ledinegg stability criterion. These features made it possible to design and testing a control system for the water flow rate in two different versions: proportional-integral (PI) and fuzzy. Comparisons indicate that the fuzzy controller performs better due to its features and robustness / Mestrado / Explotação / Mestre em Ciências e Engenharia de Petróleo

Neste trabalho de pesquisa foram estudados os efeitos dos parâmetros geométricos e de processo nas características do escoamento bifásico no interior de oito bocais nebulizadores do tipo \"Y-Jet\" através de uma bancada de análise experimental utilizando-se como fluidos de trabalho ar comprimido e água. Os resultados indicaram que as vazões mássicas são altamente dependentes da pressão de suprimento de ar e da relação entre os diâmetros do duto de mistura e do bocal de alimentação de ar. Em muitas situações de operação, esses dispositivos nebulizadores operavam com o escoamento de ar blocado à saída do seu bocal de alimentação. Outro aspecto importante é que, devido a fortes irreversibilidades inerentes ao padrão de escoamento, a expansão do fluxo de ar do seu bocal de alimentação para o duto de mistura aproxima-se muito mais de uma expansão isoentálpica que isoentrópica. Para fluxos mássicos de água superiores a 6000 kg/m2.s a distribuição de pressão no interior do duto de mistura é praticamente linear, independentemente do valor da pressão de alimentação de ar. Uma correlação para a previsão do valor da pressão no ponto de mistura entre os fluxos de ar e água dentro do duto de mistura foi desenvolvida e mostrou-se adequada para valores dentro da faixa de variação de cada parâmetro no experimento. Através de um aparato óptico buscou-se a medição da espessura média local de filme de líquido e da velocidade das perturbações na interface ar/água. Os resultados para a medição da espessura de filme mostraram-se sensivelmente dispersos, apontando para um melhor desenvolvimento dessas técnicas ópticas em futuros trabalhos. Quanto às velocidades das perturbações os resultados indicaram um razoável aumento destas conforme o escoamento se aproxima da saída do duto de mistura. Para todos os oito bocais ensaiados o valor médio destas velocidades, à saída do duto de mistura, situou-se em torno de 60 a 65 m/s. Um modelo teórico-experimental, baseado na medição da queda de pressão no interior do duto de mistura desses bocais, foi desenvolvido. Através desse modelo foi possível prever, localmente, a espessura e a velocidade médias de filme de líquido, a fração de entranhamento, a tensão de cisalhamento na interface ar/água, a fração de vazio e a velocidade média do ar no núcleo do escoamento. / In this research work the effects of the process and geometrical parameters on the characteristics of the internal two-phase flow inside eight Y-Jet atomizers were studied using an apparatus working with air and water. The results show that the flow rates are very dependent on the air supply pressure and the diameter ratio of the mixing duct and the air port. It was also verified that, in many operational conditions, these atomizers worked in the critical condition at the exit of the air port. Due to the strong irreversibilities present in the flow, the expansion from the air port to the mixing duct is closer to an isoenthalpic process than to an isoentropic process. For water mass flux greater than 6000 kg/m2.s, the pressure distribution into the mixing duct is most of the time linear, independently on the air supply pressure. A correlation to predict the mixing point pressure was developed and showed a good agreement with the experimental data. Using an optical apparatus it was measured the local liquid film thickness and the perturbations velocities on the air/water interface. The results for the liquid film showed a reasonable data dispersion. Concerning the perturbation velocities the results indicated that they increase along the mixing duct. For the eight atomizers tested the mean values of these velocities, near the mixing duct exit, were around 60 to 65 m/s. A theoretical-experimental model which uses the pressure drop measured inside the mixing duct was developed to predict locally the mean liquid film velocity and thickness, the entrainment fraction, the shear stress on the air/water interface, the void fraction and the mean air velocity in the flow core.

Neste trabalho de pesquisa foram estudados os efeitos dos parâmetros geométricos e de processo nas características do escoamento bifásico no interior de oito bocais nebulizadores do tipo \"Y-Jet\" através de uma bancada de análise experimental utilizando-se como fluidos de trabalho ar comprimido e água. Os resultados indicaram que as vazões mássicas são altamente dependentes da pressão de suprimento de ar e da relação entre os diâmetros do duto de mistura e do bocal de alimentação de ar. Em muitas situações de operação, esses dispositivos nebulizadores operavam com o escoamento de ar blocado à saída do seu bocal de alimentação. Outro aspecto importante é que, devido a fortes irreversibilidades inerentes ao padrão de escoamento, a expansão do fluxo de ar do seu bocal de alimentação para o duto de mistura aproxima-se muito mais de uma expansão isoentálpica que isoentrópica. Para fluxos mássicos de água superiores a 6000 kg/m2.s a distribuição de pressão no interior do duto de mistura é praticamente linear, independentemente do valor da pressão de alimentação de ar. Uma correlação para a previsão do valor da pressão no ponto de mistura entre os fluxos de ar e água dentro do duto de mistura foi desenvolvida e mostrou-se adequada para valores dentro da faixa de variação de cada parâmetro no experimento. Através de um aparato óptico buscou-se a medição da espessura média local de filme de líquido e da velocidade das perturbações na interface ar/água. Os resultados para a medição da espessura de filme mostraram-se sensivelmente dispersos, apontando para um melhor desenvolvimento dessas técnicas ópticas em futuros trabalhos. Quanto às velocidades das perturbações os resultados indicaram um razoável aumento destas conforme o escoamento se aproxima da saída do duto de mistura. Para todos os oito bocais ensaiados o valor médio destas velocidades, à saída do duto de mistura, situou-se em torno de 60 a 65 m/s. Um modelo teórico-experimental, baseado na medição da queda de pressão no interior do duto de mistura desses bocais, foi desenvolvido. Através desse modelo foi possível prever, localmente, a espessura e a velocidade médias de filme de líquido, a fração de entranhamento, a tensão de cisalhamento na interface ar/água, a fração de vazio e a velocidade média do ar no núcleo do escoamento. / In this research work the effects of the process and geometrical parameters on the characteristics of the internal two-phase flow inside eight Y-Jet atomizers were studied using an apparatus working with air and water. The results show that the flow rates are very dependent on the air supply pressure and the diameter ratio of the mixing duct and the air port. It was also verified that, in many operational conditions, these atomizers worked in the critical condition at the exit of the air port. Due to the strong irreversibilities present in the flow, the expansion from the air port to the mixing duct is closer to an isoenthalpic process than to an isoentropic process. For water mass flux greater than 6000 kg/m2.s, the pressure distribution into the mixing duct is most of the time linear, independently on the air supply pressure. A correlation to predict the mixing point pressure was developed and showed a good agreement with the experimental data. Using an optical apparatus it was measured the local liquid film thickness and the perturbations velocities on the air/water interface. The results for the liquid film showed a reasonable data dispersion. Concerning the perturbation velocities the results indicated that they increase along the mixing duct. For the eight atomizers tested the mean values of these velocities, near the mixing duct exit, were around 60 to 65 m/s. A theoretical-experimental model which uses the pressure drop measured inside the mixing duct was developed to predict locally the mean liquid film velocity and thickness, the entrainment fraction, the shear stress on the air/water interface, the void fraction and the mean air velocity in the flow core.