[pt] No presente trabalho estudou-se numericamente a instabilidade das ondas na interface do escoamento estratificado de água e óleo em um canal plano. Esse padrão de escoamento, associado ao estágio inicial da formação de golfada, é comum em aplicações industriais, de áreas como produção de petróleo, nuclear, química e muitas outras. Através da introdução de perturbações controladas na interface do escoamento estratificado, analisou-se a evolução dessas perturbações à luz das teorias de estabilidade hidrodinâmica. Os experimentos numéricos foram realizados utilizando o método de Volume of Fluid (VOF) do simulador comercial ANSYS Fluent versão 15.0. Analisou-se o comportamento do escoamento em dois regimes distintos com relação a amplitude das ondas interfaciais. No primeiro regime, empregaram-se ondas pequenas o suficiente para que efeitos não lineares fossem desprezíveis. Os resultados obtidos apresentaram boa concordância com as previsões fornecidas por um solver das equações de Orr-Sommerfeld, para escoamento bifásico estratificado em um canal, indicando que a ferramenta
numérica foi capaz de reproduzir o comportamento das ondas interfaciais. Mostrou-se que existe uma faixa de amplitudes, em torno de 0,2 porcento da altura do canal, a partir da qual os efeitos não lineares se tornam relevantes. No regime não linear foram avaliados diferentes cenários de interação não linear entre ondas, os quais geralmente são associados a transição do regime do escoamento estratificado para golfadas. Identificou-se o cenário mais relevante, analisando-se,a eficiência de cada uma dessas interações isoladamente. Observou-se que interações não lineares entre ondas de comprimento parecido são as que crescem mais rapidamente. Esse mecanismo parece ser dominante também na presença de
um grande número de ondas, como é o caso esperado em um evento natural. Utilizou-se um modelo fracamente não linear, baseado nas equações de Stuart-Landau, para modelar o comportamento das ondas no escoamento, obtendo-se excelente concordância com os resultados das simulações. Isso é interessante do ponto de vista prático, pois sugere que modelos não lineares simples, como é o caso da equação de Stuart-Landau, podem ser implementados para melhorar as ferramentas utilizadas para prever mudanças de regime em escoamentos bifásicos. / [en] In the present work, the instability of waves at the interface of the stratified flow of water and oil in a plane channel was numerically studied. This flow pattern, which is associated with the initial stages of slug formation, is common in industrial application in areas such as oil production, nuclear, chemical and many
others. Through the introduction of controlled perturbations at the interface of a stratified flow, the evolution of the perturbations was analyzed based on hydrodynamics stability theories. Numerical experiments were performed using the Volume of Fluid (VOF) method of the ANSYS Fluent release 15.0
commercial simulator. The behavior of the flow in two different regimes with respect to the amplitude of the interfacial waves was analyzed. In the first regime, small enough waves were employed so that non-linear effects were negligible. The results obtained presented good agreement with the predictions provided by a solver of the Orr-Sommerfeld equations for stratified two-phase flow in a channel, indicating that the numerical tool was able to reproduce the behavior of the interfacial waves. It was shown that there is a range of amplitudes, around 0.2 per cent of the channel height, above which the non-linear effects become relevant. In the nonlinear regime, different scenarios of nonlinear interaction between waves, which are usually associated with transition from stratified flow pattern to slug flow, were evaluated. The most relevant scenario was identified, based on the efficiency of each independent interaction. It was observed that non-linear interactions between waves of similar length present the fastest growth. This mechanism seems to be dominant also in the presence of a large number of waves, as present in natural events. A weakly nonlinear model, based on the Stuart- Landau equations, was employed to model the wave behavior in the flow, obtaining an excellent agreement with the results of the simulations. This is
interesting from a practical point of view, since it suggests that simple nonlinear models, such as the Stuart-Landau equation, can be implemented to improve the tools used to predict regime changes in two-phase flows.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:puc-rio.br/oai:MAXWELL.puc-rio.br:34760 |
| Date | 13 August 2018 |
| Creators | DEIBI ERIC GARCÍA CAMPOS |
| Contributors | IGOR BRAGA DE PAULA, IGOR BRAGA DE PAULA |
| Publisher | MAXWELL |
| Source Sets | PUC Rio |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | English |
| Type | TEXTO |
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