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Previous issue date: 2009-12-15 / Coordena??o de Aperfei?oamento de Pessoal de N?vel Superior / The use of Progressing Cavity Pumps (PCPs) in artificial lift applications in low deep wells is becoming more common in the oil industry, mainly, due to its ability to pump heavy oils, produce oil with large concentrations of sand, besides present high efficiency when compared to other artificial lift methods. Although this system has been widely used as an oil lift method, few investigations about its hydrodynamic behavior are presented, either experimental or numeric. Therefore, in order to increase the knowledge about the BCP operational behavior, this work presents a novel computational model for the 3-D transient flow in progressing cavity pumps, which includes the relative motion between rotor and stator, using an element based finite volume method. The model developed is able to accurately predict the volumetric efficiency and viscous looses as well as to provide detailed information of pressure and velocity fields inside the pump. In order to predict PCP performance for low viscosity fluids, advanced turbulence models were used to treat, accurately, the turbulent effects on the flow, which allowed for obtaining results consistent with experimental values encountered in literature. In addition to the 3D computational model, a simplified model was developed, based on mass balance within cavities and on simplification on the momentum equations for fully developed flow along the seal region between cavities. This simplified model, based on previous approaches encountered in literature, has the ability to predict flow rate for a given differential pressure, presenting exactness and low CPU requirements, becoming an engineering tool for quick calculations and providing adequate results, almost real-time time. The results presented in this work consider a rigid stator PCP and the models developed were validated against experimental results from open literature. The results for the 3-D model showed to be sensitive to the mesh size, such that a numerical mesh refinement study is also presented. Regarding to the simplified model, some improvements were introduced in the calculation of the friction factor, allowing the application fo the model for low viscosity fluids, which was unsuccessful in models using similar approaches, presented in previous works / O uso de bombas de cavidades progressivas (BCP) para eleva??o artificial de petr?leo em po?os de baixa a m?dia profundidade est? se tornando mais comum na ind?stria do petr?leo devido, dentre outras caracter?sticas, ? sua habilidade de bombear ?leos pesados, produzir ?leo com grandes concentra??es de part?culas s?lidas, e tolerar grandes fra??es de g?s livre. Al?m disso, apresenta alta efici?ncia, quando comparado a outros sistemas de eleva??o artificial. Apesar de este sistema ser bastante utilizado na eleva??o de ?leo, poucas investiga??es acerca do seu comportamento hidrodin?mico podem ser encontradas na literatura. Desta forma, devido ? necessidade de obter um maior dom?nio do comportamento operacional da BCP, este trabalho apresenta um novo modelo computacional para escoamento 3-D transiente em bombas de cavidades progressivas, utilizando o m?todo dos volumes finitos baseado em elementos, no qual se inclui o movimento relativo entre o rotor e o estator. O modelo desenvolvido ? capaz de predizer com exatid?o par?metros operacionais, como efici?ncia volum?trica e perdas viscosas, assim como fornecer informa??es detalhadas dos campos de press?o e velocidade no interior da bomba. Para tornar poss?vel o estudo com BCP s bombeando fluidos de baixa viscosidade, foram utilizados modelos de turbul?ncia avan?ados para tratar adequadamente os efeitos turbulentos no escoamento, os quais permitiram obter informa??es coerentes com a literatura do comportamento da BCP em resultados experimentais. Al?m do modelo tridimensional, este trabalho apresenta um modelo simplificado baseado em um balan?o de massa entre as cavidades e na simplifica??o das equa??es do movimento para escoamento completamente desenvolvido ao longo das linhas de selo entre as cavidades. O modelo simplificado, baseado em abordagens j? utilizadas para este tipo de bomba, tem capacidade de predizer valores de vaz?o para um dado diferencial de press?o, apresentando exatid?o e requerendo pouco trabalho de CPU, tornando-se uma ferramenta de engenharia de uso f?cil, permitindo respostas num?ricas aproximadas em tempo-real. Os resultados apresentados neste trabalho consideraram uma BCP de estator r?gido e os modelos apresentados foram validados com resultados experimentais da literatura. Os resultados para o modelo tridimensional mostraram-se sens?veis ao tamanho da malha, de maneira que um estudo de refinamento de malha ? apresentado. J? no modelo simplificado foram introduzidos alguns melhoramentos no c?lculo do fator de atrito permitindo a aplica??o para fluidos de baixa viscosidade, o que n?o era poss?vel em modelos similares apresentados em trabalhos anteriores
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:repositorio.ufrn.br:123456789/15602 |
| Date | 15 December 2009 |
| Creators | Pessoa, Paulo Alison Sousa |
| Contributors | CPF:67514286420, http://lattes.cnpq.br/2699729486137957, Assmann, Benno Waldemar, CPF:75841312715, Marcondes, Francisco, CPF:24811459334, http://lattes.cnpq.br/2663181961083657, Paladino, Em?lio Ernesto, Lima, Jo?o Alves de |
| Publisher | Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Programa de P?s-Gradua??o em Engenharia Mec?nica, UFRN, BR, Tecnologia de Materiais; Projetos Mec?nicos; Termoci?ncias |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/masterThesis |
| Format | application/pdf |
| Source | reponame:Repositório Institucional da UFRN, instname:Universidade Federal do Rio Grande do Norte, instacron:UFRN |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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