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

Aplicações industriais envolvendo escoamentos multifásicos são inúmeras, sendo que, o aprimoramento de alguns desses processos pode resultar em um grande salto tecnológico com significativo impacto econômico. O estudo numérico dessas aplicações é imprescindível, pois fornece informações precisas e mais detalhadas do que a realização de testes experimentais. Um grande desafio é o estudo numérico de escoamentos viscoelásticos multifásicos envolvendo altas taxa de elasticidade, devido às instabilidades causadas por altas tensões elásticas, grandes deformações, e até mudanças topológicas na interface. Assim, a investigação numérica desse tipo de problema exige uma formulação precisa e robusta. No presente trabalho, um novo resolvedor de escoamentos bifásicos envolvendo fluidos complexos é apresentado, com particular interesse em escoamentos com altas taxas de elasticidade. A formulação proposta é baseada no método Volume-of-fluid (VOF) para representação da interface e no algoritmo Continuum Surface Force (CSF) para o balanço de forças na interface. A curvatura e advecção da interface são calculados via métodos geométricos para garantir a precisão dos resultados. Métodos de estabilização são utilizados quando números críticos de Weissenberg (Wi) são encontrados, devido ao famoso problema do alto número de Weissenberg (HWNP). O método da projeção, combinado com um método implícito para solução da equação da quantidade de movimento, são discretizados por um esquema de diferenças finitas em uma malha deslocada. Problemas de benchmarks foram resolvidos para acessar a precisão numérica da formulação em diferentes níveis de complexidade física, tal como representação e advecção da interface, influência das forças interfaciais, e características reológicas do fluido. A fim de demonstrar a capacidade do novo resolvedor, dois problemas bifásicos transientes, envolvendo fluidos viscoelásticos, foram resolvidos: o efeito de Weissenberg e o reômetro extensional (CaBER). O efeito de Weissenberg ou rod-climbing effect consiste em um bastão que gira dentro de um recipiente com fluido viscoelástico e, devido às forças elásticas, o fluido escala o bastão. Os resultados foram comparados com dados teóricos, numéricos e experimentais, encontrados na literatura para pequenas velocidades angulares. Além disso, resultados obtidos com altas velocidades angulares (alta elasticidade) são apresentados com o modelo Oldroyd-B, em que escaladas muito elevadas foram observadas. Valores críticos da velocidade angular foram identificados, e para valores acima foi observada a ocorrência de instabilidades elásticas, originadas pela combinação de tensões elásticas, curvatura interfacial, e escoamentos secundários. Até onde sabemos, numericamente, essas instabilidades nunca foram capturadas antes. O CaBER consiste no comportamento e colapso de um filamento de fluido viscoelástico, formado entre duas placas paralelas devido às forças capilares. Esse experimento envolve consideráveis dificuldades, dentre as quais podemos destacar a grande influência das forças capilares e a diferença de escalas de comprimento no escoamento. Em grande parte dos resultados encontrados na literatura, o CaBER é resolvido por modelos simplificados em uma dimensão. Resultados obtidos foram comparados com tais resultados da literatura e com soluções teóricas, apresentando admirável precisão. / Industrial applications involving multiphase flow are numerous. The improvement of some of these processes can result in a major technological leap with significant economic impact. The numerical study of these applications is essential because it provides accurate and more detailed information than conducting experiments. A challenge is the numerical study of high viscoelastic multiphase flows due to instabilities caused by the high elastic tension, large deformations and even topological changes in the interface. Thus the numerical investigation of this problem requires a robust formulation. In this study a new two-phase solver involving complex fluids is presented, with particular interest in the solution of highly elastic flows of viscoelastic fluids. The proposed formulation is based on the volume-of-fluid method (VOF) to interface representation and continuum surface force algorithm (CSF) for the balance of forces in the interface. The curvature and interface advection are calculated via geometric methods to ensure the accuracy of the results. Stabilization methods are used when critical Weissenberg numbers are found due to the famous high Weissenberg number problem (HWNP). The projection method combined with an implicit method for the solution of the momentum equation are discretized by a finite difference scheme in a staggered grid. Benchmark test problems are solved in order to access the numerical accuracy of different levels of physical complexities, such as the dynamic of the interface and the role of fluid rheology. In order to demonstrate the ability of the new resolver, two-phase transient problems involving viscoelastic fluids have been solved, theWeissenberg effect problem and the extensional rheometer (CaBER). The Weissenberg effect problem or rod-climbing effect consists of a rod that spins inside of a container with viscoelastic fluid and due to the elastic forces the fluid climbs the rod. The results were compared with numerical and experimental data from the literature for small angular velocities. Moreover results obtained for high angular velocities are presented using the Oldroyd-B model, which showed high climbing heights. Critical values of the angular speed have been identified. For values above a critical level were observed the occurrence of elastic instabilities caused by the combination of elastic tension, interfacial curvature and secondary flows. To our knowledge, numerically these instabilities were never captured before. The CaBER consists of the behavior and collapse of a viscoelastic fluid filament formed between two parallel plates due to capillary forces. This experiment involves considerable difficulties, among which we can highlight the great influence of the capillary forces and the difference of the length scales in the flow. In much of the results found in the literature, the CaBER is solved by simplified models. The results were compared with results reported in the literature and theoretical solutions, which showed remarkable accuracy.

Uma nova metodologia para a medida não intrusiva da fração volumétrica e da área interfacial é proposta neste trabalho, com base em redes neurais para processar respostas obtidas de sinais acústicos. A distribuição geométrica das fases dentro do escoamento é mapeada pela velocidade local de propagação acústica, considerada na equação diferencial que governa o problema. Esta equação é resolvida numericamente pelo método de diferenças finitas com as condições de contorno reproduzindo a estratégia de pulso/eco. Um número significativo de distribuições das velocidades de propagação foi considerado na solução da equação diferencial para construir uma base de dados, da qual os parâmetros da rede podem ser ajustados. Especificamente, o modelo neural é construído para mapear características extraídas dos sinais obtidos de quatro sensores acústicos, localizados no contorno externo do domínio de sensoriamento, estimando a fração volumétrica e a área interfacial correspondentes. Estas características correspondem às amplitudes e aos tempos de chegada dos três maiores picos da onda acústica. Os resultados numéricos mostram que o modelo neural pode ser treinado em um tempo computacional razoável e é capaz de estimar os valores da fração volumétrica e da área interfacial dos exemplos do conjunto de teste. / A new methodology for measuring the volumetric fraction and interfacial area in two-phase flows is proposed in this work, based on neural network for processing the responses obtained from an acoustic interrogation signal. The geometrical distribution of the phases within the flow is mapped by the local acoustic propagation velocity which is considered in the governing differential equation. This equation is solved numerically by the finite difference method with boundary conditions reproducing the pulse/echo strategy. A significant number of propagation velocities distributions were considered in the solution of the differential equation in order to construct a database from which the neural model parameters could be adjusted. Specifically, the neural model is constructed to map the features extracted from the signals delivered by four acoustic sensors, placed on the external boundary of the sensing domain, into the corresponding volumetric fraction and interfacial area. These features correspond to the amplitudes and the times of arrival on the three first peaks of the acoustic wave. Numerical results showed that the neural model can be trained in a reasonable computational time and it is capable of estimating the values of the volumetric fraction and the interfacial area of examples of the set of test.

A presente dissertação trata de um estudo teórico-experimental sobre a perda de pressão em canais de diâmetro reduzido durante escoamento bifásico de refrigerantes halogenados. Trocadores de calor baseados na ebulição convectiva, em condições de micro-escala são amplamente estudados devido à intensificação da troca de calor proporcionada e a possibilidade de compactação de sistemas de resfriamento. Proporcionam também a redução do inventário de refrigerante e do material utilizado no processo de fabricação do trocador. Porém, o incremento da transferência de calor é acompanhada pelo aumento da perda de pressão, parâmetro também fundamental para o desempenho do sistema. Para o projeto satisfatório e otimizado destes dispositivos são necessários métodos de previsão de transferência de calor e perda de pressão. Entretanto, no caso de canais de diâmetro reduzido, tais ferramentas não encontram-se disponíveis e trocadores de calor baseados em escoamentos bifásicos no interior de canais de diâmetro reduzido vêm sendo desenvolvidos heuristicamente. Desta forma, inicialmente neste estudo, realizou-se uma revisão crítica da literatura envolvendo critérios de transição entre padrões de escoamento, fração de vazio superficial, perda de pressão no interior de canais com diâmetro reduzido durante escoamento bifásico e os principais métodos de estimativa da perda de pressão para macro e micro-escala. Resultados experimentais para perda de pressão levantados neste estudo em condições adiabáticas para os fluidos R245fa e R134a e tubo com 1,1 mm de diâmetro interno foram descritos e comparados aos métodos preditivos encontrados na literatura. Finalmente um novo método da previsão da perda de pressão foi proposto baseado na correlação de Müller-Steinhagen e Heck (1986), ajustando os valores do coeficiente e do expoente com base nos resultados experimentais levantados. / A theorical and experimental study on two-phase pressure drop inside micro-scale channels has been developed. Recently, the study of flow boiling in micro-scale channel have received special attention from academia and industry due to several advantages that they offer such as minimization of fluid inventory, high degree of compactness of the heat exchangers, better performance and the capacity of dissipate extremely high heat fluxes. The significant heat transfer coefficient enhancement provided by micro-scale channels comes together with a huge pressure drop penalty that impacts the efficiency of the overall cooling system. So, accurate predictive methods to evaluate the pressure drop are necessary for the appropriate design of the system and for its optimization. In the present study, firstly, a critical review on studies from literature was performed that covers criteria of transition between micro- and macro-scale flow boiling, void fraction, frictional pressure drop on micro-scale channels and the leading frictional pressure drop predictive methods. Experimental pressure drop results were acquired under adiabatic conditions for R245fa and R134a fluids and internal diameter tube of 1.1 mm. Then, the leading pressure drop predictive methods were compared against the present database. Also a new correlation based on Muller-Steinhagen e Heck (1986) method was proposed in this work by adjusting new empirical constants based on the present database together with previous results obtained by Tibiriçá et al. (2011) for a 2.3 mm ID tube.

O escoamento estratificado óleo-água é bastante comum na indústria do petróleo, especialmente em poços direcionas offshore, oleodutos e gasodutos. Entretanto, existem poucos trabalhos na literatura sobre a natureza da estrutura ondulatória observada no escoamento em dutos ascendentes ou descendentes a partir da horizontal. O objetivo deste trabalho foi estudar as propriedades geométricas e cinemáticas da onda interfacial, i.e, forma média, comprimento, amplitude e celeridade, e assim contribuir para a compreensão do papel da onda interfacial na dinâmica do escoamento estratificado. Um software baseado em plataforma Labview® possibilitou a automação para obtenção dos dados das ondas interfaciais extraídas de imagens de vídeos de alta resolução. Além das propriedades das ondas, também se coletaram valores de fração volumétrica in situ e de gradiente de pressão bifásico para cinco ângulos de inclinação (-20°, -10°, 0°, 10° e 20°) em diferentes pares de vazões de óleo e água. Desenvolveu-se um modelo fenomenológico considerando os termos ondulatórios do escoamento para o cálculo da fração volumétrica in situ e do gradiente de pressão bifásico, sendo comparado com modelos disponíveis na literatura e dados experimentais. A concordância do modelo proposto com os dados coletados neste trabalho se mostrou muito boa, o que sugere um avanço em comparação ao existente na literatura. O estudo da equação da onda de perturbação interfacial para o escoamento estratificado óleo-água indicou que a natureza da onda observada é cinemática e não dinâmica; e baseado na equação da celeridade da onda cinemática pode-se confrontar a celeridade experimental com a teórica, revelando boa concordância. / The oil-water stratified flow is quite common in the oil industry, especially in offshore directional wells and pipelines. However, there are few studies on the physics of the wavy structure observed in upward and downward stratified flow. The goal of this work was to study the geometric and kinematic properties of interfacial waves, i.e., the average shape, wavelength, amplitude and celerity. A homemade Labview®-based software enabled the automatic acquisition of data extracted from frames obtained via high resolution video recording. In situ volume fraction and two-phase pressure gradient data for five inclination angles (-20°, -10°, 0°, 10° and 20°) at several pairs of oil and water flow rates were also collected. A phenomenological model that takes into account the wavy structure is proposed to calculate volume fractions and two-phase pressure gradient and it was compared with available models from the literature and experimental data. The good agreement of the proposed model with the data collected in this study is promising and suggests that it may provide better predictions in comparison with models from the literature. The study of the interfacial perturbation wave equation for stratified flow indicates that the observed waves nature is kinematic and not dynamic; and based on the kinematic wave velocity equation we could compare the experimental celerity with the theoretical one, with good agreement.

O escoamento bifásico é muito importante para vários ramos industriais. As misturas bifásicas podem escoar em diversas configurações, as quais são chamadas de padrões de escoamento, e que, ao longo dos anos, receberam diversas classificações. Neste trabalho foi estudado o padrão bolhas dispersas em duto anular. Os trabalhos sobre escoamento bifásico em geometria anular são mais escassos, especialmente quando se trata de dutos anulares de grande dimensão. Dentre os modelos existentes para a modelagem do escoamento bifásico, trabalhamos com o modelo de mistura (Drift Flux), pois, apesar das altas velocidades superficiais, o escoamento em bolhas não possui um comportamento homogêneo, já que a fase gasosa ainda escoa na região central e com uma velocidade maior do que a velocidade da mistura. Foi utilizado o modelo de mistura unidimensional para a modelagem do escoamento bifásico água-ar, pois, além de bastante preciso, é de baixo custo computacional e fácil implementação. Neste trabalho empregamos, a princípio, equações elaboradas para dutos circulares, as quais foram adaptadas para a geometria anular fazendo-se uso do conceito de diâmetro hidráulico. As equações foram implementadas no software Mathematica® e as previsões para o holdup e queda de pressão foram comparadas com dados experimentais próprios. O trabalho experimental foi realizado no laboratório de escoamentos multifásicos do Núcleo de Engenharia Térmica e de Fluidos (NETeF) da EESC-USP, o qual conta com uma instalação experimental em estado operacional para a simulação de escoamentos bifásicos vertical e inclinados em duto anular. Foram colhidas medidas de holdup e queda de pressão bifásica. A concordância entre os dados experimentais e as previsões foi muito satisfatória. / Two-phase flow is present in a wide range of industrial processes. Such flows occur in many geometrical configurations known as flow patterns. In this work is presented a study about bubbly flow in annular duct. Works on two-phase flow in large annular geometry are very scarce. Among the existing models for modeling two-phase flow we chose the drift flux model because the bubbly flow does not behave as a homogeneous mixture, despite of the high superficial velocities, since the gas phase flows faster in the core region in comparison with the mixture velocity. The onedimensional drift flux model besides to be accurate is of low computational cost and easy implementation. The goal of this work is to analyze the prediction of holdup and pressure drop in annular ducts of large diameter. The set of equations used was adapted from those of circular ducts by using the hydraulic diameter concept. The equations were implemented in Mathematica software and holdup and pressure drop prediction were compared with experimental data taken in the experimental facility of the Thermal-fluids Engineering Laboratory of EESC-USP. It was collected measure of holdup and pressure drop. The agreement between experimental data and model predictions is encouraging.

Este trabalho tem como objetivo global contribuir para o desenvolvimento do estudo da propagação de ondas em dutos de transporte de fluidos, especialmente oleodutos e gasodutos, através da análise da atenuação acústica e da velocidade de propagação da onda. Para isso, foram feitos ensaios experimentais, tanto em escoamento mono quanto bifásico, variando-se a vazão do escoamento em uma linha de testes de 1500 metros e 50 mm de diâmetro, para aquisição de sinais gerados a partir do fechamento de válvulas de simulação de vazamentos em pontos ao longo da tubulação. Para análise da atenuação acústica foi proposta uma metodologia baseada na medição do coeficiente de amortecimento temporal das ondas de pressão como subsídio para o cálculo do coeficiente de atenuação, através da utilização de um único sensor de pressão. Esta metodologia foi validada pela medição direta do coeficiente de atenuação e os resultados mostram uma excelente concordância em escoamentos monofásicos. Para os testes em escoamento bifásico não foi possível aplicar esta metodologia devido ao forte amortecimento das ondas de pressão, sendo feitas apenas medições diretas da atenuação com resultados fenomenologicamente coerentes. A velocidade de propagação acústica para escoamento monofásico foi influenciada pela presença de gás dissolvido e bolhas de cavitação, apresentando valores próximos aos da literatura para baixas vazões de escoamento. Para altas vazões, as velocidades foram compatíveis com o escoamento bifásico a bolhas finamente dispersas. Para o escoamento bifásico o regime de escoamento variou de bolhas a pistonado. As velocidades de propagação obtidas são compatíveis com aquelas obtidas por modelos teóricos. / This work aims to contribute to the development of the study of wave propagation in fluid transport pipelines, through the analysis of acoustic attenuation and propagation speed. For this reason, experimental tests were made in single and two-phase flow, varying the flow rate in a test line of 1500 meters and 50 mm in diameter, for the acquisition of signals generated from the closing of leak simulation valves at known points along the pipeline. To analyze the acoustic attenuation it was proposed a methodology based on measurement of temporal damping coefficient of pressure waves as input for calculating the attenuation coefficient, by using a single pressure sensor. This methodology was validated by direct measurement of attenuation coefficient and the results show an excellent agreement in single-phase flow. For the tests in two-phase flow it was not possible to apply this methodology due to the strong damping of pressure waves, which only made direct measurements of attenuation results phenomenologically consistent. Acoustic propagation velocity for single phase flow was influenced by the presence of dissolved gas and cavitation bubbles, having values close to the literature for low flow rates. For high flows rates, the velocities were consistent with a two-phase flow at finely dispersed bubbles. For the two-phase flow the regime varied from slug to bubbles. The propagation velocities obtained are consistent with those obtained by theoretical models.

A presente pesquisa envolve um estudo teórico-experimental da transferência de calor e da perda de carga na condensação e no escoamento monofásico de fluidos refrigerantes halogenados no interior de lâminas com micro canais. Os ensaios consideram o fluido refrigerante puro R-134-a e a mistura quase azeotrópica R-410A. As lâminas estudadas envolvem micro canais de seção quadrada de Dh = 1,214 mm e de seção circular de Dh = 1,494 mm. Os ensaios de líquido subresfriado compreendem velocidades mássicas de 390 a 1360 Kg/sm2 para um temperatura de saturação de 40ºC e subresfriamento de 10ºC. Por sua parte, os ensaios foram realizados considerando um fluxo de calor constante de 5 kW/m2, títulos de vapor de 0,1 a 0,9, velocidades mássicas de 410 a 1135 kg/sm2, temperaturas de saturação de 40 a 50ºC e misturas óleo-refrigerante com concentrações de óleo em massa de 0,25 e 0,45%. Para cada condição de ensaio foram avaliados o coeficiente de transferência de calor e a queda de pressão por atrito na lâmina ensaiada. Os resultados para escoamento monofásico apresentaram consistência com relação às correlações típicas aplicáveis a transferência de calor e perda de carga para regime turbulento em tubos convencionais, apresentando, em média, valores de 12% superiores. Na maioria das condições de ensaios de condensação, segundo mapas de escoamento disponíveis na literatura, foi identificado o domínio do padrão estreitamento anular. Este comportamento foi aferido pelos resultados experimentais de perda de carga mostrando dependência quase exclusiva do parâmetro de Martinelli, e o mecanismo conectivo como principal mecanismo de transferência de calor, característico no padrão anular. Os resultados de condensação foram correlacionados a partir de abordagens empíricas em função do parâmetro de Martinelli e o conceito de velocidade mássica equivalente. Assim como, a partir de uma abordagem semi-empírica considerando um modelo anular que permite avaliar os mecanismos principais de transferência de calor e quantidade de movimento, avaliando a espessura do filme de líquido na parede do canal. Finalmente, os resultados experimentais e os obtidos a partir das correlações desenvolvidas são comparados com estudos disponíveis na literatura relativos a lâminas com micro canais. / This project involves a theoretical-experimental study of heat transfer and pressure drop in condensation and single phase flow of halogen refrigerants in microchannel tubes. The tests include the pure refrigerant R-134a and quasi azeotropic mixture R-410A. The microchannel tubes tested include one with square ports of Dh = 1,214 mm and other with circular port of Dh = 1,494 mm. The subcooled liquid tests considered the mass velocities of 390 to 1360 kg/sm2, the saturation temperature of 40ºC and subcooled of 10ºC. The condensing tests considered a constant heat flux of 5 kW/m2, vapor quality of 0,15 to 0,9, mass velocities of 410 to 1135 kg/sm2, saturation temperature of 40 to 50ºC and oil-refrigerant mixtures with oil mass concentrations of 0,25 and 0,45%. For each test condition was evaluated the coefficient of heat transfer and frictional pressure drop in the microchannel tube. The single phase results agree with typical correlations used in conventional tubes to evaluate the heat transfer and pressure drop in turbulent flow, even though the most of experimental date are 12% higher. The most of flow patterns in condensation were identified as annular using the flow patterns maps available on literature. This behavior was verified through pressure drop results, which show exclusive dependence on Martinelli Parameter. The heat transfer results show that the main heat transfer mechanism was convective, typical in annular flow. The results of condensation were correlated from empirical approachs using the Martinelli parameter and the equivalent mass velocity concept. And, also a semi-empirical approach modeling the annular flow to evaluate the mechanism of heat transfer through the liquid film around the wall of the tube. Finally, the experimental results and the results obtained through the models were compared with correlations referred to microchannels available on the literature.

Submitted by Geandra Rodrigues (geandrar@gmail.com) on 2018-10-24T12:40:05Z No. of bitstreams: 1 filipefernandesdepaula.pdf: 19865574 bytes, checksum: dfebb62a2a39cd7c70ab5c775d5441ce (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2018-11-23T12:10:30Z (GMT) No. of bitstreams: 1 filipefernandesdepaula.pdf: 19865574 bytes, checksum: dfebb62a2a39cd7c70ab5c775d5441ce (MD5) / Made available in DSpace on 2018-11-23T12:10:30Z (GMT). No. of bitstreams: 1 filipefernandesdepaula.pdf: 19865574 bytes, checksum: dfebb62a2a39cd7c70ab5c775d5441ce (MD5) Previous issue date: 2018-09-12 / O desenvolvimento de técnicas adequadas para extração eficiente de óleo de reservatórios de petróleo passa pela simulação precisa de tais fenômenos, que é alcançada através do estudo de modelos matemáticos e métodos computacionais robustos, eficientes e precisos. Neste contexto, este trabalho visa o estudo de métodos numéricos para a simulação de escoamentos bifásicos em meios porosos heterogêneos. Para tanto, propomos uma abordagem numérica do tipo staggered para estes modelos, que se baseia na aproximação de forma desacoplada dos sistemas de equações diferenciais parciais referentes aos problemas de Darcy e da saturação das fases. Dessa forma, podem ser empregados métodos numéricos específicos para cada sistema, que melhor se adequem às suas caractrerísticas. Assim, propomos o estudo de métodos de elementos finitos mistos, estáveis e estabilizados, clássicos e híbridos e localmente conservativos para o cômputo da velocidade da mistura e de um método de volumes finitos não-oscilatório de alta ordem, baseado em esquemas centrais, para a equação hiperbólica não-linear que governa o transporte da saturação das fases. Resultados numéricos comprovam a flexibilidade, a taxa de convergência e o custo computacional dos métodos adotados, além de demonstrar a eficácia dos métodos quando aplicados a simulação de problemas associados a extração de petróleo em cenários fortemente heterogêneos. / The development of techniques for efficient oil extraction from reservoirs passes through the simulation of such phenomena, which is achieved by the study of mathematical models and robust, precise and efficient computational methods. This dissertation studies methods for the simulation of two-phase flows in heterogeneous porous media. To do so, we propose a “staggered” numerical approach for the numerical methods, that is based on the approximation of uncoupled systems of differential equations related to Darcy’s problems and saturation of the phases. Then, appropriate methods for each system, that best suit its characteristics can be applied. Therefore, we propose studying locally conservative finite element methods, stable and stabilized, classical and hybrid to approximate the velocity field and a non-oscillatory high order finite volume method, based on central schemes, to approximate the non-linear hyperbolic equation that governs the transport of phases. Numerical results attest to the flexibility, convergence rate and computational cost of the adopted methods, and demonstrate the effectiveness of such methods when applied to oil extraction in various heterogeneous porous media scenarios.

Orientador: Antonio Carlos Bannwart / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-19T20:45:05Z (GMT). No. of bitstreams: 1 MonteVerde_William_M.pdf: 4763246 bytes, checksum: d71320f12abcec340b449d80b2466a83 (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: A utilização de bombas centrífugas submersas (BCS) operando com a mistura gás-líquido é comum na indústria de petróleo. Para elevadas vazões de líquido e baixas frações de gás o desempenho da bomba é similar ao escoamento monofásico. No entanto, uma degradação severa no desempenho é observada para elevadas frações de gás. A presença de gás livre no escoamento causa instabilidades na curva de ganho de pressão versus vazão. A curva passa a exibir um ponto de máximo, conhecido como ponto de 'surging', sendo que para vazões abaixo desse ponto, ocorre uma acentuada queda no ganho de pressão e, portanto, na capacidade de bombeamento. O aumento da vazão de gás pode causar o bloqueio da área disponível ao escoamento no rotor da bomba, fazendo com que a vazão seja nula, fenômeno conhecido como 'gas locking'. Portanto, o conhecimento das condições operacionais onde ocorre o surging é de fundamental importância para a operação adequada da bomba. O objetivo deste trabalho é obter as curvas de desempenho (elevação, potência e rendimento) de BCS operando com misturas gás-líquido. Com esse propósito as curvas característica de um protótipo de BCS foram determinadas utilizando a mistura água-ar, com frações volumétricas de gás entre 0 e 10% em diferentes rotações, pressões de sucção e vazões de líquido. O protótipo de BCS foi desenvolvido a partir de uma bomba convencional permitindo a visualização do escoamento no interior da bomba. Um manuseador de gás também foi testado buscando determinar suas características operacionais. Os ensaios foram realizados em uma bancada de testes, onde foram medidas os parâmetros do escoamento (vazões de ar e água, pressão e temperatura na entrada e saída da bomba) e parâmetros mecânicos (torque de velocidade de rotação). Uma severa degradação no desempenho, e consequentemente no rendimento da bomba foram observados devido à presença de gás no escoamento. Os fenômenos de surging e gas locking também foram observados durante os testes. A velocidade de rotação e a pressão de sucção influenciaram a fração volumétrica onde o surging ocorre. O aumento da velocidade de rotação e da pressão de sucção desloca a fração volumétrica critica de gás para valores mais elevados, aumentando a faixa operacional da bomba / Abstract: The use of electrical submersible pumps (ESP) under gas-liquid flow is very common in the oil industry. At constant liquid flow rate a dramatic degradation on pump head is observed as gas flow rate increases. Natural instabilities of two-phase flow may cause the centrifugal pump to surge at rather low gas void fraction (GVF), as evidenced by a critical point in the pressure gain x flow rate curve, a phenomenon referenced as 'surging point'. Further increase in GVF may cause the gas to fill most of the pump impeller, making the liquid flow rate to decrease down to zero, a phenomenon known as 'gas locking'. Therefore, knowledge of the conditions for which the pump starts to surge is of utmost importance and can only be understood through experimental investigation. The goal of this work is to present the experimental ESP performance curves (head, brake horsepower and efficiency) when operating with gas-liquid mixtures. For that purpose the characteristic curves were determined for one prototype of ESP, operating with water and two-phase air-water mixtures with GVF ranging from 0 to 10 % at different rotational speed, intake pressure and liquid flow rate. The ESP prototype is designed to make possible the flow visualization inside the pump. The performance of a gas handler was also tested in order to determine their operational characteristics. Tests were carried out on an ESP testing bench, where flow parameters (air and water flow rates, pressure and temperature at the inlet and outlet of the pump) and mechanical parameters (shaft torque and speed) were measured. A significant decrease in pump head, and consequently in pump efficiency, was observed as the air fraction was increased. Phenomena like surging and gas locking were observed during these tests. The rotational speed and intake pressure affect the critical GVF at the surging conditions. Increasing the rotational speed and intake pressure moves de critical GVF to higher values extending the operational range the ESP / Mestrado / Explotação / Mestre em Engenharia de Petróleo