Orientador: Antonio Carlos Bannwart / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica, Instituto de Geociências / Made available in DSpace on 2018-08-26T04:52:38Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Biazussi_JorgeLuiz_D.pdf: 11756361 bytes, checksum: e163630c268ec8b0c1e2a20bc1bdebc9 (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: A bomba centrífuga submersa (BCS) é uma bomba de múltiplos estágios que tem recebido muita atenção nos últimos anos, devido à sua importância para a elevação artificial de petróleo em altas vazões. Como uma parte do sistema de Elevação Artificial, a BCS é geralmente instalada no interior do poço, a fim de aumentar a vazão ou até mesmo viabilizar a produção. A presença de gás livre no fluido na entrada da bomba provoca uma diminuição do ganho de pressão fornecido pela BCS e pode conduzir a instabilidades na curva de ganho de pressão versus vazão. O objetivo deste trabalho é desenvolver e avaliar o desempenho de um modelo de deslizamento para representar o ganho de pressão em uma ampla faixa de vazão de líquido de uma BCS. Para este propósito foram realizados testes experimentais em laboratório para três BCS diferentes que operam com misturas ar - água. Especificamente, o ganho de pressão e a potência de eixo foram medidos em diferentes vazões de líquido, de gás, de pressões de entrada e rotação. Os resultados dos testes de água monofásicos foram interpretados por ajuste dos dados com um modelo de correlação genérico para o ganho de pressão e potência, tentando descrever todos os fenômenos físicos envolvidos no escoamento nos canais rotativos. Os resultados dos testes bifásicos foram discutidos em termos dos efeitos da fração de vazio, da pressão de admissão, da velocidade de rotação e da geometria da bomba. Um modelo de deslizamento para escoamento em bolhas foi proposto para representar o ganho de pressão e também foi utilizado para expressar a potência de eixo. Os dois parâmetros envolvidos no modelo, ou seja, C0 e kb?, foram ajustados aos dados e mostrou a capacidade desta abordagem em capturar as principais tendências das curvas experimentais. O parâmetro de distribuição C0 foi, em todos os casos, significativamente menor do que um, confirmando os resultados de outros autores, em escoamento bifásico descendente em tubos. Além disso, este resultado indica que os perfis de velocidade e de distribuição de fase são distorcidos pelo campo centrífugo e de Coriolis. O parâmetro kb? foi significativo apenas para a bomba radial de menor vazão, o que confirma a ideia de que para altas vazões de líquido, as bolhas de gás são dispersadas através do líquido e o deslizamento torna-se insignificante / Abstract: The Electrical Submersible Pump (ESP) is a multiple stage pump which has been receiving a lot of attention in recent years in due to its importance for the Artificial Lift of petroleum at high flow rates. As a part of the AL system, the ESP is often installed inside the well in order to either viabilize the production or increase its flow rate. The presence of free gas within the fluid entering the pump causes a decrease in the head provided by the ESP and may lead to instabilities in the head-capacity curve. The aim of this work is to develop and evaluate the performance of a drift flux model to represent the head in the entire liquid flow rate range of an ESP. For this purpose, experimental performance tests to determine the characteristic curves were performed in laboratory for three different ESPs operating with water and water-air mixtures. Specifically, the head and brakehorsepower were measured at different flow liquid and gas flow rates, inlet pressures and rotation speeds. The results from the single-phase water tests were interpreted by fitting generic correlation models for the head and power to the data, trying to describe all basic phenomena involved in the rotating channel flow. The results from the two-phase runs were discussed in terms of the effects of the mixture composition, intake pressure, rotation speed and pump geometry. A drift flux model for bubbly flow was proposed to represent the head and also used to express the power. The two parameters involved in the model, namely C0 and kb? , were fitted to the data and showed good capability of this approach to capture the main trends of the experimental curves. The distribution parameter C0 was in all cases significantly lower than one, confirming the findings by other authors in two-phase downward pipe flow. Also, this result indicates that the velocity and phase distribution profiles are distorted by both the centripetal and Coriolis fields. The drift parameter kb? was significant for the smallest capacity radial pump only, confirming the idea that at sufficiently high liquid flow rates, the gas bubbles are dispersed through the liquid and drift becomes negligible / Doutorado / Explotação / Doutor em Ciências e Engenharia de Petróleo

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

Nesse trabalho, foi desenvolvido um simulador numérico (C/C++) para a resolução de escoamentos de fluidos newtonianos incompressíveis, baseado no método de partículas Lagrangiano, livre de malhas, Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH). Tradicionalmente, duas estratégias são utilizadas na determinação do campo de pressões de forma a garantir-se a condição de incompressibilidade do fluido. A primeira delas é a formulação chamada Weak Compressible Smoothed Particle Hydrodynamics (WCSPH), onde uma equação de estado para um fluido quase-incompressível é utilizada na determinação do campo de pressões. A segunda, emprega o Método da Projeção e o campo de pressões é obtido mediante a resolução de uma equação de Poisson. No estudo aqui desenvolvido, propõe-se três métodos iterativos, baseados noMétodo da Projeção, para o cálculo do campo de pressões, Incompressible Smoothed Particle Hydrodynamics (ISPH). A fim de validar os métodos iterativos e o código computacional, foram simulados dois problemas unidimensionais: os escoamentos de Couette entre duas placas planas paralelas infinitas e de Poiseuille em um duto infinito e foram usadas condições de contorno do tipo periódicas e partículas fantasmas. Um problema bidimensional, o escoamento no interior de uma cavidade com a parede superior posta em movimento, também foi considerado. Na resolução deste problema foi utilizado o reposicionamento periódico de partículas e partículas fantasmas. / In this work, we have developed a numerical simulator (C/C++) to solve incompressible Newtonian fluid flows, based on the meshfree Lagrangian Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) Method. Traditionally, two methods have been used to determine the pressure field to ensure the incompressibility of the fluid flow. The first is calledWeak Compressible Smoothed Particle Hydrodynamics (WCSPH) Method, in which an equation of state for a quasi-incompressible fluid is used to determine the pressure field. The second employs the Projection Method and the pressure field is obtained by solving a Poissons equation. In the study developed here, we have proposed three iterative methods based on the Projection Method to calculate the pressure field, Incompressible Smoothed Particle Hydrodynamics (ISPH) Method. In order to validate the iterative methods and the computational code we have simulated two one-dimensional problems: the Couette flow between two infinite parallel flat plates and the Poiseuille flow in a infinite duct, and periodic boundary conditions and ghost particles have been used. A two-dimensional problem, the lid-driven cavity flow, has also been considered. In solving this problem we have used a periodic repositioning technique and ghost particles.

Nesse trabalho, foi desenvolvido um simulador numérico (C/C++) para a resolução de escoamentos de fluidos newtonianos incompressíveis, baseado no método de partículas Lagrangiano, livre de malhas, Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH). Tradicionalmente, duas estratégias são utilizadas na determinação do campo de pressões de forma a garantir-se a condição de incompressibilidade do fluido. A primeira delas é a formulação chamada Weak Compressible Smoothed Particle Hydrodynamics (WCSPH), onde uma equação de estado para um fluido quase-incompressível é utilizada na determinação do campo de pressões. A segunda, emprega o Método da Projeção e o campo de pressões é obtido mediante a resolução de uma equação de Poisson. No estudo aqui desenvolvido, propõe-se três métodos iterativos, baseados noMétodo da Projeção, para o cálculo do campo de pressões, Incompressible Smoothed Particle Hydrodynamics (ISPH). A fim de validar os métodos iterativos e o código computacional, foram simulados dois problemas unidimensionais: os escoamentos de Couette entre duas placas planas paralelas infinitas e de Poiseuille em um duto infinito e foram usadas condições de contorno do tipo periódicas e partículas fantasmas. Um problema bidimensional, o escoamento no interior de uma cavidade com a parede superior posta em movimento, também foi considerado. Na resolução deste problema foi utilizado o reposicionamento periódico de partículas e partículas fantasmas. / In this work, we have developed a numerical simulator (C/C++) to solve incompressible Newtonian fluid flows, based on the meshfree Lagrangian Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) Method. Traditionally, two methods have been used to determine the pressure field to ensure the incompressibility of the fluid flow. The first is calledWeak Compressible Smoothed Particle Hydrodynamics (WCSPH) Method, in which an equation of state for a quasi-incompressible fluid is used to determine the pressure field. The second employs the Projection Method and the pressure field is obtained by solving a Poissons equation. In the study developed here, we have proposed three iterative methods based on the Projection Method to calculate the pressure field, Incompressible Smoothed Particle Hydrodynamics (ISPH) Method. In order to validate the iterative methods and the computational code we have simulated two one-dimensional problems: the Couette flow between two infinite parallel flat plates and the Poiseuille flow in a infinite duct, and periodic boundary conditions and ghost particles have been used. A two-dimensional problem, the lid-driven cavity flow, has also been considered. In solving this problem we have used a periodic repositioning technique and ghost particles.