Please use this identifier to cite or link to this item: https://hdl.handle.net/10316/87469
Title: Análise e modelização do escoamento de misturas óleo/água em condutas
Other Titles: Analysis and modelling of oil/water mixtures in pipes
Authors: Santos, Deividson Silveira dos
Orientador: Rasteiro, Maria da Graça
Keywords: Escoamento óleo/água; Modelo Euler-Euler; Método level set; EIT e COMSOL; Oil/water flows; Euler-Euler model; Level set method
Issue Date: 17-May-2019
Project: Fundação para a Ciência e Tecnologia (PEST - UI102 - 2013) 
Abstract: O escoamento multifásico caracteriza-se pelo transporte de duas ou mais fases que podem apresentar-se em diversos padrões de escoamento. Considerando apenas os escoamentos bifásicos de fluidos imiscíveis, três principais padrões podem ser identificados: disperso, fortemente separados e intermitente. Estudos voltados para a caracterização e obtenção de informações particulares para cada tipo de escoamento podem levar à otimização e criação de sistemas de bombeio mais eficientes que possam reduzir os custos energéticos nos transportes destes fluidos. Nestes estudos, técnicas de amostragem e filmagem são amplamente usadas. As técnicas tomográficas surgem como uma alternativa para a substituição das técnicas de amostragem por serem, em sua maioria, não-intrusivas. Por outro lado, é de primordial importância ter disponíveis modelos que permitam simular estes sistemas de escoamento o que tem levado a vários estudos computacionais para obter também informações úteis para a introdução de melhorias nos sistemas de bombeio, otimizando estes sistemas de transporte. Este trabalho tem como objetivo fazer um estudo experimental dos escoamentos da mistura óleo/água nos padrões disperso e estratificado, assim como outro estudo de simulação. O estudo experimental foi realizado em uma seção de teste composta por uma conduta horizontal com 11.5 m de comprimento e 0.11 m de diâmetro interno. Os testes para o escoamento disperso foram realizados para as concentrações do óleo de 0.01, 0.13 e 0.22 v/v e as velocidades da mistura variando ente 0.9 e 2.6 m.s-1. Para o escoamento estratificado, os testes foram realizados para as velocidades superficiais da água de 0.30 e 0.45 m.s-1 e do óleo de 0.17, 0.35, 0.72, 1.00 e 1.27 m.s-1. Os fluidos utilizados foram parafina líquida (densidade 843±1 kg.m-3 e viscosidade 25±0.1 mPa.s) e água, com tensão interfacial de 46±0.01 mN.m. Sendo assim, nos experimentos foram determinadas valores de queda de pressão, e obtidas fotografias dos escoamentos e dados de Tomografia de Impedância Elétrica (EIT), através dos quais foram reconstruídas imagens internas da distribuição da condutividade normalizada na seção transversal da conduta e, utilizando também a condutividade normalizada, foi calculado o perfil de concentração volumétrica de óleo (1D) ao longo do diâmetro vertical da conduta. Recolheram-se ainda amostras das misturas em posições equidistantes ao longo do diâmetro vertical da conduta que forneceram também perfis de concentração. As simulações foram realizadas em geometria 2D utilizando Computational Fluid Dynamics (CFD), implementada no programa COMSOl Multiphysics com uma abordagem Euler-Euler para o escoamento disperso e utilizando o método level-set, para melhor descrever a interface, para o escoamento estratificado. Para a modelagem da turbulência, nos dois casos, utilizou-se o método RANS em combinação com o modelo de turbulência k-ε. As simulações para o escoamento disperso foram realizadas utilizando duas correlações para calcular o drag coefficient, Schiller-Neumann e Hainder-Levenspiel, e três equações para calcular a viscosidade, Guth e Simba (1936), Brakman (1952) e Pal (2000). Para a validação das simulações, compararam-se os valores de queda de pressão simulados com os experimentais. Os resultados obtidos para o escoamento disperso demonstraram que este padrão de escoamento foi reproduzido quer experimentalmente quer nas simulações. Experimentalmente, foi possível identificar este tipo de escoamento quer através das fotografias quer pelas imagens de EIT. As simulações conseguiram predizer o padrão de escoamento disperso e observou-se que a escolha da equação da viscosidade influenciou diretamente os parâmetros da turbulência, assim como, nos resultados da queda de pressão. Independente da concentração volumétrica do óleo e da correlação do drag coefficient utilizada, para baixas velocidades da mistura, a equação de Guth e Simba (1936) para a viscosidade da mistura conduziu a menores desvios e, para as velocidades mais altas, os menores desvios foram obtidos para a equação de Pal (2000) para a viscosidade da mistura. Para o escoamento estratificado, foram realizados inicialmente testes para a simulação em geometria 3D, a qual demonstrou ser inviável devido ao elevado esforço computacional exigido ao utilizar o método level-set, tendo por isto todos testes a que se seguiram utilizado sempre a geometria 2D. Os resultados obtidos para o escoamento estratificado demostraram também que foi possível reproduzir experimentalmente este tipo de padrão de escoamento, o qual foi perfeitamente confirmado através das imagens de EIT que estavam em linha com as fotografias. As simulações em 2D conseguiram predizer também o padrão de escoamento, e os valores de queda de pressão calculados conduziram a desvios abaixo de 10%. A simulação conseguiu também detetar alterações na interface quando se altera a velocidade do óleo, com o surgimento de ondas nesta região para a menor velocidade do óleo.
Multiphase flows are characterized by the transport of two or more phases that can be presented in several geometric configurations or flow patterns. Considering only biphasic flows of immiscible fluids, three main patterns can be identified: dispersed pattern, strongly separated flows and intermittent flow. Studies aimed at characterizing and obtaining information specific for each type of flow can lead to the optimization and creation of more efficient pumping systems that can reduce energy costs in the transport of these fluids. In these studies, sampling techniques and filming are widely used. Tomographic techniques appear as an alternative for the substitution of sampling techniques, beign mostly non-intrusive. On the other hand, it is of paramount importance to have models available to simulate these flow systems which has been leading to several computational studies to obtain also useful information for the introduction of improvements and optimizing these transport systems, by optimiting the corresponding pumping systems. The objective of this work is to perform an experimental study of oil/water mixture flows in stratified and dispersed patterns and, additionally simulation studies. The experimental study was performed in a test section composed of a horizontal pipe with 11.5m length and 0.11m internal diameter. The tests for the dispersed pattern were carried out for oil concentrations of 0.01, 0.13 and 0.22 v/v and velocities of the mixture varying between 0.9 and 2.6 m.s-1. For stratified flow, the tests were performed for the water surfacial velocities of 0.30 and 0.45m.s-1 and for the superficial oil velocities of 0.17, 0.35, 0.72, 1.00 and 1.27 m.s-1. The fluids used in thse studies were liquid paraffin (density 843 ± 1 kg.m-3 and viscosity 25 ± 0.1 mPa.s) and water, with interfacial tension of 46 ± 0.01 mN.m. In the experiments, pressure drop values were measured, and photographs of the flows and Electrical Impedance Tomography (EIT) data were obtained, through which internal images of the normalized conductivity distribution were reconstructed in the cross section of the pipe. Moreoves, along the vertical diameter of the pipe, samples of the mixtures were collected for equidistant positions along the vertical diameter of the conduit which also provided 1D concentration profiles, which were compared with the 1D profiles obtained from EIT by converting the numeralized conductivity in to oil concentration. The simulations were performed in a 2D geometry using Computational Fluid Dynamics (CFD) implemented in the COMSOl Multiphysics program, using a Euler-Euler approach for the dispersed flow regime and using the level-set method, to better describe the interface, for the stratified flow regime. For the turbulence modelling, in both cases, the RANS method was used in combination with the turbulence k-ε model. Simulations of the dispersed flow were performed using two correlations to compute the drag coefficient, Schiller-Neumann and Hainder-Levenspiel correlations, and three equations for calculating the mixture viscosity, Guth and Simba (1936), Brakman (1952) and Pal (2000) equations. For the validation of the simulations, the simulated pressure drop values were compared with the experimental ones. The results obtained for the dispersed flow demonstrated that this flow pattern was reproduced either experimentally or in the simulations. Experimentally, it was possible to identify this type of flow either through the photographs or through the EIT images. The simulations were able to predict the dispersed flow pattern and it was observed that the choice of the viscosity equation directly influenced the parameters of the turbulence, as well as the results of pressure drop. Regardless of the volumetric concentration of the oil and the correlation for the drag coefficient used, for low speeds of the mixture, the Guth and Simba (1936) equation led to smaller deviations regarding pressure drop comparison, while for the higher velocities, the smaller deviations were obtained for the Pal (2000) equation. For the stratified flow, tests for the simulation in 3D geometry were initially performed, which proved to be impractical due to the high computational effort required when using the level-set method, so in all the remaining tests a 2D geometry was used wich provided good outputs when comparing simulated with experimental results. The results obtained for the stratified flow also demonstrated that it was possible to reproduce experimentally this type of flow pattern, which was perfectly confirmed by the EIT images that were in line with the photographs. The 2D simulations were also able to predict the flow pattern and the calculated pressure drop values obtained led to deviations below 10%. The simulations were also able to detect changes in the oil/water interface, with the appearance of waves in this region for the greater oil speeds.
Description: Tese de Doutoramento em Engenharia Química, apresentada ao Departamento de Engenharia Química da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra
URI: https://hdl.handle.net/10316/87469
Rights: openAccess
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