Operações de produção de petróleo, que utilizam sistemas de bombeamento centrífugo submerso, constantemente encontram a presença de gás livre nos poços, o que pode gerar ou agravar problemas como cavitação e falhas dinâmicas, quando o gás é succionado pela bomba. O separador gravitacional do tipo shroud invertido é uma solução possível para este problema nos casos de operação em poços direcionais de petróleo. O trabalho tem como objetivo apresentar um estudo do diâmetro das bolhas que ocorrem no interior de um separador gravitacional gás-líquido do tipo shroud invertido. A finalidade é o aprimoramento de um modelo fenomenológico do funcionamento deste tipo de separador, aplicado à indústria petrolífera, sendo que o modelo fenomenológico garante total separação de gás, fornecidas determinadas condições. O modelo prevê, através do cálculo da energia cinética turbulenta, o tamanho médio das bolhas carregadas para o seio do líquido por aeração no duto anular. Partindo de estudos anteriores, uma verificação do modelo fenomenológico foi feita utilizando um aparato experimental com misturas bifásicas ar-água e ar-óleo em três diferentes inclinações. O aparato possui dimensões radiais reais de um poço de petróleo offshore. Foi utilizado um sensor 3D ORM para a medição do tamanho médio (sauter) das bolhas arrastadas pelo líquido até a entrada do tubo de produção, em diversas combinações de vazões da mistura água-ar. Esta medição permite o ajuste das correlações que regem o modelo fenomenológico, no que diz respeito às equações dependentes do diâmetro teórico de bolhas arrastadas pela fase líquida. As descobertas provenientes deste estudo foram implementadas em um código computacional que será utilizado pela PETROBRAS, financiadora do projeto, para suas operações de bombeamento. / Oil mining operations powered by centrifugal submersible pumping systems suffer constant setbacks due to the presence of free gas in wells. Decompression in the reservoir liberates this gas in the form of bubbles that, upon reaching the suction end of the pump, cause cavitation and dynamic failures resulting in production and equipment losses. The Inverted-shroud gravitational separator is a possible solution to this problem. This work presents a study on diameters of bubbles that occur inside this separator. The goal is the improvement of the understanding of this kind of separator as well as the enhancement of a previously reported phenomenological model, which ensures total gas separation when the separator is installed in directional wells and under specific operational conditions. Empirically adjusted correlations are used to ensure that all entrained bubbles do not reach the pump. The model was tested for two-phase flows of water-air and oil-air mixtures using three different inclinations. Tests were performed with an experimental apparatus that simulates a pilot-scale well casing with an inverted-shroud separator installed. A 3D ORM particle-size sensor was employed in order to measure the average (sauter) diameter of entrained bubbles that are dragged by the liquid flow towards the end of the production tube. This investigation will be used to improve the reliability of the phenomenological model and reduce its dependency on a theoretical prediction of the bubble size. The findings were incorporated to the final version of an in-house gas separator design software developed at the request of PETROBRAS, the project funder and Inverted-shroud patent holder, for usage on its oil mining operations.

Dans les premiers instants de l'histoire des planètes telluriques, la chaleur d'accrétion, le chauffage radioactif et la différenciation noyau-manteau apparaissent comme des sources d'énergie capables de fondre le manteau terrestre significativement. L'évolution d'un océan de magma suite à ces évènements catastrophiques dépend des propriétés physiques des matériaux silicatés en conditions mantelliques et de la dynamique convective complexe d'un manteau en cristallisation. Actuellement, certains auteurs proposent que la structure actuelle du manteau profond pourrait être associée à des reliques de la cristallisation d'un océan de magma primitif. Nous avons développé un modèle thermodynamique capable de modéliser de façon auto cohérente des séquences de cristallisation dans les conditions du manteau profond. A partir de ce modèle, nous avons montré que le magma s'enrichit progressivement en fer au cours de la cristallisation. Le liquide résiduel devient ainsi plus dense que la phase solide. Ce modèle thermodynamique suggère un scénario de cristallisation de l'océan de magma similaire à celui proposé par (Labrosse et al., 2007). Celui-ci prédit que la structure actuelle de la base du manteau hériterait de la cristallisation d'un océan de magma primitif. Afin d'étudier l'influence de ce contraste de densité et des profils de liquidus sur la dynamique syn- cristallisation d'un océan de magma, nous avons développé un code de convection multiphasique intégrant changement phase, percolation / compaction et cristallisation fractionnée. Dans ce mémoire, nous présentons des modèles dynamiques préliminaires de cristallisation dans le cas univariant / Early in the history of terrestrial planet, heat of accreation, radioactive deacay and core-mantle segratation may have melted the silicate mantle significantly. Magma ocean evolution depends on both physical properties of materials at relevant P-T conditions and the complex dynamics of a convecting cristallizing mantle. Present deep Earth mantle structures might be direclty linked to the crystallization of a potential magma ocean. We propose a complete thermodynamic model of the solid-liquid equilibrium in the MgO-FeO-SiO2 system which allows to compute self-consistenltly crystallization sequence at deep mantle conditions. The present study shows that, at thermodynamic equilibrium, the first solids that crystallize in the deep mantle are lighter than the liquid as they are more Mg-rich. This further enriches the melt in iron and this residual melt becomes much denser than the solid phase. Both the anti-freeze effect of iron and its high density suggest a mantle crystallization scenario similar to that described in Labrosse et al. (2007) where the ULVZ are iron rich and very fusible remnants of a primordial basal magma ocean. In addition, we have developped a multiphase convection code accounting for solid-liquid phase change, compaction and fractionnal cristallization. This mechanical model is dedicated to the investigation of the effects of various temperature profile and solid liquid density cross-overs on the dynamics of a cristallizing mantle. In this thesis, we show preliminary models illustrating the effect of chemical density contrasts between melt and solid in the case of univariant crystallization

Die vorliegende Habilitationsschrift stellt den erreichten Stand der CFD-basierten Modellierung ein- und mehrphasiger Hochtemperaturprozesse dar. Die hierzu vorgelegten Arbeiten umfassen die Hochdruck-Partialoxidation von Erdgas, die Vergasung fester Einsatzstoffe in einem endothermen Flugstromreaktor und in einem mehrstufigen Wirbelschichtprozess sowie die Synthesegasaufbereitung in einem neuen Quenchreaktor. Der Forschungsschwerpunkt reicht dabei von der Entwicklung neuer Korrelationen zur Beschreibung der Strömungskräfte und des Wärmeübergangs basierend auf partikelaufgelösten Rechenmodellen über die Modellierung der thermochemischen Konversion reaktiver Einzelpartikel bis hin zur Berechnung und Optimierung unterschiedlicher Hochtemperaturreaktoren. / This habilitation thesis discusses the state of the art for the CFD modeling of single-phase and multi-phase high-temperature processes. The presented publications comprise the high-pressure partial oxidation of natural gas, the gasification of solid fuels in entrained-flow gasifiers and multi-stage fluidized-bed gasifier as well as the syngas treatment in a new quench reactor. The scientific approach covers the development of new correlations for flow forces and heat transfer based on particle-resolved numerical models, the modeling of the thermochemical conversion of reactive single particles, and the calculation and optimization of different high-temperature processes.

A system able to simultaneously separate and pump a gas-liquid mixture was developed.<p>It works efficiently and can be used in many applications (nuclear power plants,<p>pulp and paper processing, petroleum extraction, etc.). However, this pump and separator<p>system (PASS) was especially designed to handle air-oil mixture generated in<p>aero-engine lubrication systems. The PASS combines three important functions of the<p>scavenge part of the lubrication system: the deaeration and deoiling of the air-oil mixture<p>generated in the bearing and gearbox sumps and the pumping of the oil towards<p>the tank. These are critical functions for the engine. Indeed, a poor deoiling efficiency<p>leads to a high oil consumption. This reduces the flight endurance, increases the size<p>and weight of the oil tank and has a negative impact on the environment. Poor deaeration<p>and pumping characteristics lead to problems in the cooling and the lubrication of<p>the engine bearings.<p><p>Integrating a PASS into the lubrication system allows considerable improvements<p>(and simplification) to the lubrication system architecture. An important number of<p>components are suppressed: the vent lines, the deoiler, the cyclone deaerator and the<p>scavenge pumps. This reduces the size and the weight of the lubrication system and<p>increases its reliability. Furthermore, an important part of this PhD thesis focuses on<p>reducing the oil consumption in the PASS. This improves the flight endurance, reduces<p>engine maintenance and working costs and is profitable to the environment.<p><p>In addition to the development of an advanced PASS design system, the objective of<p>this thesis was to obtain a good understanding of the separation processes occurring in<p>the PASS and to develop theoretical models able to predict the separation performance<p>for every working condition encountered in a typical aircraft flight. To achieve this<p>goal, three main tasks were performed: the development of different two-phase measurement<p>systems, the experimental tests of four different PASS architectures and the<p>theoretical development (after an extensive literature review) of correlations predicting<p>the performance of the PASS in function of the working conditions. Five specific aspects<p>of the PASS were studied: the inlet flow, the deoiling efficiency, the deaeration efficiency,<p>the pumping efficiency and the pressure drop. Finally, the models that have been developed<p>with the help of the measurement systems and of the experiments have been<p>integrated in a complete model of the lubrication system (under the EcosimPro modelling<p>environment). This helps to predict real in flight PASS working conditions and<p>performance. Indeed, the PASS is very sensitive to the engine working conditions and<p>an optimisation of the prototype size and performance is only feasible with an accurate<p>knowledge of these working conditions and a complete lubrication system model.<p>Finally, with the results of this PhD thesis, a new PASS design, optimised for different<p>aero-engine lubrication systems, is presented. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Le présent manuscrit contribue à l’étude des écoulements liquides dans des milieux poreux artificiels, plus spécifiquement dans les cas où la matrice poreuse présente des gradients de perméabilité importants, par exemple dans un milieu stratifié ou fracturé. Nous étudions l’influence de tels milieux poreux hétérogènes sur différents types d’écoulements. Ce travail est principalement expérimental, mettant en oeuvre une technique optique non-intrusive appelée effet Christiansen. Cette méthode permet de déterminer quantitativement des distributions soit de température, soit de concentration au sein d’un milieu poreux. <p><p>Trois problèmes physiques sont étudiés: tout d’abord le problème de Horton-Rodgers-Lapwood qui est l’équivalent du très connu problème de Rayleigh-Bénard mais pour un milieu poreux, ensuite les phénomènes de dispersion hydrodynamique que l’on rencontre dans des écoulements multiphasiques. Cette dispersion hydrodynamique est essentiellement envisagée comme un processus macroscopique de diffusion, renforcé par rapport à la diffusion moléculaire que l’on rencontre en milieu fluide libre. Enfin, le troisième problème englobe les écoulements capillaires en milieux poreux en environnement de pesanteur réduite. Dans le cas d’écoulements immiscibles multiphasiques, il faut prendre en considération l’effet de la tension superficielle aux interfaces. Comme les effets capillaires sont partiellement masqués par les effets de pesanteur durant des expériences au sol, une étude précise des effets de mouillage dans ces écoulements en milieu poreux nécessite de les découpler au maximum des autres effets physiques. Un programme de recherche en microgravité a été réalisé, et un nouveau modèle mathématique qui prend en compte l’influence des forces capillaires a été élaboré dans le cadre d’une collaboration entre le Service de Chimie-Physique et le Prof. N.N. Smirnov du Département de Mécanique et de Mathématique de l’Université d’Etat de Moscou.<p><p><p>La structure de ce travail part du Chapitre 1, qui présente essentiellement les milieux poreux et leurs spécificités. Ce dernier introduit le formalisme et les concepts nécessaires au traitement des trois problèmes de recherche envisagés. Le Chapitre 2 présente ensuite une étude bibliographique du problème de Horton-Rodgers-Lapwood et des phénomènes de dispersion hydrodynamique en milieux poreux. Le Chapitre 3 est consacré à l’effet Christiansen. Le Chapitre 4 présente les dispositifs de laboratoire mis au point, ainsi qu’une compilation des résultats expérimentaux obtenus. Les problèmes d’écoulements capillaires sont exposés au Chapitre 5, étant donné que la technique expérimentale est différente de celle basée sur l’effet Christiansen. Ce Chapitre compare le nouveau modèle mathématique aux résultats des expériences menées en microgravité durant de nombreuses campagnes de vols paraboliques. Le Chapitre 6 referme ce travail par ses conclusions et perspectives. / Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Dans cette thèse, l’étude des interactions entre des particules ultrafines émises par les pots d’échappement et l’écoulement de sillage créé par le véhicule émetteur a été réalisée principalement selon une approche numérique. Une campagne expérimentale a été conduite à des fins de validation. L’objet de la thèse vise à comprendre l’impact des particules issues des pots d’échappement sur l’environnement proche tant du côté piéton que du côté des passagers des véhicules suiveurs. Pour cela, l’écoulement du fluide a été traité avec une approche eulérienne type URANS (Unsteady Reynolds Average Navier-Stokes) combinée à un suivi lagrangien pour les nanoparticules. En effet, cette thèse est conduite en parallèle d’un projet collaboratif financé par l’ADEME (CAPTIHV) dont le but est d’évaluer la qualité de l’air des habitacles des véhicules automobiles, et en particulier de l’infiltration des particules ultrafines issues du trafic environnant. L’étude de la dispersion des particules fines en écoulements turbulents nécessite une analyse fine des structures turbulentes qui s’y développent. Notre étude numérique a donc consisté, en premier lieu, à analyser cette dispersion dans le cas d’un écoulement de sillage classique à l’aval d’un cylindre. Cela nous a permis de caractériser la dynamique d’interactions de nanoparticules solides de carbone avec les structures tourbillonnaires en considérant l’impact de la turbulence et de la diffusion brownienne. Cela a permis d’évaluer l’influence des principaux mécanismes influençant la dispersion. Les résultats de ces simulations nous ont permis de sélectionner les mécanismes/forces importants pouvant influencer la dispersion de telles particules dans le sillage d’un véhicule automobile ; Cela nous a facilité la mise en place et l’analyse des simulations relativement plus complexes de l’aérodynamique du corps d’Ahmed à culot droit en présence des nanoparticules simulant les suies des gaz d’échappement. Les interactions des particules ultrafines avec les structures tourbillonnaires se créant dans le sillage des véhicules ont été évaluées à partir de profils de concentrations et les coefficients de dispersions transversales. La dernière étape a consisté en une campagne d’essais en soufflerie qui nous a permis de caractériser les champs de vitesses moyens et turbulents ainsi que les champs de concentrations particulaires à l’aval du véhicule pour valider les résultats numériques / In this thesis, the study of the interactions between ultrafine particles emitted by the exhaust pipes and the wake flow generated by the emitting vehicle was carried out mainly using a numerical approach. An experimental campaign was conducted for validation purpose. The goal of the thesis is to understand the impact of exhaust particles on the surrounding environment on both the pedestrian and the passengers of the following vehicles. For this purpose, the fluid flow was resolved with an Eulerian type URANS model (Unsteady Reynolds Average Navier-Stokes) combined to the Lagrangian approach for the nanoparticles trajectories calculation. This thesis is conducted simultaneously with a collaborative project funded by ADEME (CAPTIHV) whose purpose is to assess the air quality of automotive car cabins, and particulate infiltration from the surrounding traffic in particular of ultrafine particles. The study of the dispersion of fine particles in turbulent flows requires a fine analysis of the turbulent structures that develop in such flows. Our numerical study therefore consisted, first, in analyzing this dispersion in the case of a classic wake flow downstream of a cylinder. This enabled us to characterize the interaction of solid carbon nanoparticles with vortical structures evaluating at the same time the impact of turbulence and Brownian diffusion. This allowed determining the influence of the main mechanisms influencing nanoparticles dispersion. In a second step, we replaced the cylinder configuration by a simplified geometry of a motor vehicle, Ahmed body configuration. Therefore, simulations with and without of particles presence have been conducted and have allowed to highlight the swirls structures and to characterize the particles dispersion through particle concentration profiles and the particles dispersion coefficients. The results of these simulations allowed us determining the important mechanisms / forces that can influence the dispersion of such particles in the wake of a ground vehicle; this facilitated the implementation and analysis of relatively more complex simulations of the aerodynamics of the square back Ahmed body in the presence of nanoparticles simulating soot from the exhaust gases. The interactions of ultrafine particles with vortical structures appearing in the wake of vehicles were evaluated from concentration profiles and transverse dispersion coefficients. The final step was a wind tunnel experimental campaign that allowed us to characterize the average and turbulent velocity fields as well as the particle concentration fields downstream of the vehicle to validate the numerical results

This master's thesis analyses fluid flow in an open cylindrical tank with vortex using numerical simulation. The theoretical part introduces a set of equations governing fluid flow and relations used to describe vortex motion. A general overview of terms used in computational fluid dynamics is presented. The experimental section consists of three parts. The vortex modelling is performed using ANSYS Fluent software. Data are consequently analysed within ANSYS CFD-Post software tool. Special focus is put on the vortex shape that is fitted with a curve corresponding to a probability density function of the Cauchy distribution. Results are then plotted in MATLAB software.

Gas-Partikel-Stroemungen finden sich in weiten Bereichen der Energie- und Verfahrenstechnik. Beispiele fuer haeu- fig anzutreffende Problemstellungen sind der Transport, die Separation oder die Injektion eines Gemisches aus festen Partikeln und einem Traegergas. Fuer die numerische Simulation solcher disperser Mehr- phasenstroemungen hat sich das Lagrange-Verfahren als besonders geeignet erwiesen. Andererseits stellt die An- wendung dieses Berechnungsverfahrens hoechste Anforderun- gen an die Ressourcen der verwendeten Rechner. Dies gilt im besonderen Masse fuer die Simulation von Stroemungen mit einer moderaten bis hohen Partikelbeladung, in denen die Partikel-Partikel-Kollisionen einen grossen Einfluss auf das Stroemungsverhalten haben. Um das grosse Leistungspotential, das heutige massiv par- allele Hochleistungsrechner bieten, effizient zu nutzen, wurden im Rahmen dieser Arbeit parallele Simulationsalgo- rithmen fuer die numerische Berechnung kollisionsbehafte- ter Gas-Partikel-Stroemungen entwickelt. Die Effizienz dieser Algorithmen wurde anhand verschiedener Testfaelle untersucht. Auf der Grundlage der dabei erzielten Ergeb- nisse wurden Vorschlaege fuer weitere Entwicklungsmoeg- lichkeiten erarbeitet. / Gas-particle-flows can be found widely in the field of energy production and process engineering. Examples for applications of such kind of flows are transport, se- paration or injection of a mixture of solid particles and a gaseous phase. The Lagrangian approach has proved to be a suitable means for the numerical simulation of disperse multiphase flows. On the other hand its application requires a large amount of computational power, especially when flows with a mo- derate or high particle loading are computed and particle- particle collisions have a significant influence on the flow. In order to use efficiently the large computational power that parallel computers provide nowadays, parallel algo- rithms for the numerical simulation of gas-particle flows including particle-particle collisions were developed in the cource of this work. The algorithms' efficiency was investigated considering different test cases. On the basis of the results suggestions for further developments were made.

This thesis presents a numerical method for the phase-resolving simulation of rigid particles and deformable bubbles in viscous, magnetohydrodynamic flows. The presented approach features solid robustness and high numerical efficiency. The implementation is three-dimensional and fully parallel suiting the needs of modern high-performance computing. In addition to the steps towards magnetohydrodynamics, the thesis covers method development with respect to the immersed boundary method which can be summarized in simple words by From rigid spherical particles to deformable bubbles. The development comprises the extension of an existing immersed boundary method to non-spherical particles and very low particle-to-fluid density ratios. A detailed study is dedicated to the complex interaction of particle shape, wake and particle dynamics. Furthermore, the representation of deformable bubble shapes, i.e. the coupling of the bubble shape to the fluid loads, is accounted for. The topic of bubble interaction is surveyed including bubble collision and coalescence and a new coalescence model is introduced. The thesis contains applications of the method to simulations of the rise of a single bubble and a bubble chain in liquid metal with and without magnetic field highlighting the major effects of the field on the bubble dynamics and the flow field. The effect of bubble coalescence is quantified for two closely adjacent bubble chains. A framework for large-scale simulations with many bubbles is provided to study complex multiphase phenomena like bubble-turbulence interaction in an efficient manner.

Die vorliegende Dissertationsschrift beinhaltet die Ergebnisse der Untersuchung von loka-len und globalen Prozessen der Wärmeübertragung beim unterkühlten Strömungssieden. Sie ist an der Schnittstelle zwischen Reaktorsicherheitsforschung und der experimentellen Thermofluiddynamik für Phasenübergänge einzuordnen. In technischen Anwendungen zur effizienten Übertragung großer Wärmemengen spielt der Prozess des Siedens eine wichtige Rolle. Dieser Vorgang bewirkt einen starken Anstieg des Wärmetransportes von der beizten Wand an das Fluid bei vergleichsweise geringem Anstieg der Wandtemperatur. Der maximal übertragbare Wärmestrom beim Sieden wird begrenzt durch die sogenannte kritische Wärmestromdichte, deren Überschreitung zum thermomechanischen Versagen der beheizten Komponente führen kann. Aufgrund der Komplexität dieser Prozesse ist es trotz intensiver Arbeiten in den letzten Jahrzehnten noch nicht gelungen, diese Vorgänge detailliert zu modellieren. Eine Weiter-entwicklung der Modelle zur realistischen Beschreibung des unterkühlten Strömungssie-dens erfordert neuartige Untersuchungen, welche eine genaue Klassifizierung der partiellen Wärmeübergänge des Blasensiedens ermöglichen. Die Analyse partieller Wärmetransportgrößen beim unterkühlten Strömungssieden sowie der Einfluss variierender thermohydraulischer Randbedingungen ist Schwerpunkt dieser Arbeit. In der entwickelten Versuchsanlage erfolgt die Erfassung der Siedevorgänge bei Strömungsgeschwindigkeiten von 0,1 – 2 m/s und Eintrittstemperaturen von 60 - 98 °C. Mit Hilfe empfindlicher Temperaturmessungen in einem elektrisch beheizten Kapillarrohr innerhalb des Strömungskanals werden die globalen Vorgänge beim Übergang von Kon-vektion zum Sieden erfasst. Durch eine modellbasierte Bestimmung der Oberflächentem-peratur lassen sich Phänomene nachweisen, welche bisher weitestgehend unbeachtet ge-blieben sind. Die transparente Versuchsstrecke ermöglicht eine Erfassung der lokalen Sie-devorgänge mit optisch und zeitlich hochauflösenden Messverfahren. Durch die Entwick-lung neuer Algorithmen der digitalen Bildverarbeitung wurde eine umfangreiche, kenngrö-ßenorientierte Auswertung der in großem Umfang entstandenen Datenmengen realisiert. Der Einsatz transparenter und elektrisch leitfähiger Beschichtungen ermöglicht die mikro-skopische Erfassung des Blasenwachstums in weiten thermohydraulischen Parameterberei-chen. Mit erweiterten Bildverarbeitungsalgorithmen erfolgt die detaillierte und dynamische Bewertung des Blasenwachstumsverhaltens. Die statistische Auswertung der Verläufe er-möglicht die Ableitung eines Blasenwachstumsmodells für unterkühltes Strömungssieden. In einer weiteren Versuchsanordnung werden die lokalen Wärmetransportvorgänge bei der Ablösung quasistatisch gewachsener Blasen mit Hilfe der Infrarot-Thermographie be-stimmt. Dadurch können erstmalig die aus der lokalen Abkühlung der beheizten Oberfläche durch Blasenablösung resultierenden Wärmeströme unter Vernachlässigung der Bla-senbildung experimentell quantifiziert werden. Weiterhin können die bisher theoretisch beschriebenen Driftströmungen beim Aufstieg der Blase experimentell nachgewiesen wer-den. Die ermittelten Größen und Zusammenhänge tragen zur Weiterentwicklung und zum Abbau von Unsicherheiten bei der Modellierung von Wärmetransportvorgängen beim unterkühlten Strömungssieden bei.