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Tese de Doutorado
DOI
https://doi.org/10.11606/T.18.2019.tde-11112021-111526
Documento
Autor
Nome completo
Gustavo Bochio
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Carlos, 2019
Orientador
Banca examinadora
Rodriguez, Oscar Mauricio Hernandez (Presidente)
Castro, Marcelo Souza de
Greco Junior, Paulo Celso
Paula, Igor Braga de
Souza, Leandro Franco de
Título em português
Estudo experimental e numérico do escoamento estratificado óleo-viscoso/água
Palavras-chave em português
Dinâmica de fluidos computacional
Escoamento bifásico
Escoamento estratificado
Experimentos
Modelo unidimensional
Óleo-água
Volume-of-fluid
Resumo em português
O escoamento estratificado óleo-água é de grande interesse para a indústria de petróleo, pois é comumente observado em oleodutos e poços direcionais. Nos últimos anos, diversos trabalhos surgiram com o intuito de analisar esse tipo de escoamento, seja através de dados experimentais ou de modelos numéricos. Contudo poucos deles focam suas análises no escoamento de líquidos com alta razão de viscosidade. Outro ponto importante é o fato que fenômenos dinâmicos comuns nesse escoamento, como a formação de ondas interfaciais e entranhamento de gotas são difíceis de modelar e motivo de estudo recorrente na área. Nesse contexto, este trabalho avalia o escoamento estratificado de óleo viscoso e água através de três abordagens distintas e complementares: experimentos, modelagem unidimensional e modelagem tridimensional utilizando técnicas de CFD. Os dados experimentais são utilizados para a validação e fechamento de correlações usadas nos modelos numéricos. A modelagem unidimensional baseia-se em um modelo da literatura, desenvolvido para escoamentos estratificados ondulados e adiciona a ele efeitos do entranhamento, através de alterações na equação de quantidade de movimento e nas propriedades médias dos fluidos. As simulações em CFD, com a técnica "Volume-of-fluid (VOF)", tentam capturar os fenômenos dinâmicos associados a escoamentos estratificados ondulados e com mistura na interface e determinar parâmetros locais do escoamento, que não podem ser obtidos através da modelagem unidimensional simplificada. Através dos dados experimentais foi possível levantar dados de distribuição de fases, fração volumétrica, perda de carga, características interfaciais e fatores de entranhamento. Os resultados dos modelos indicam vantagem na utilização de CFD frente ao modelo unidimensional para escoamentos estratificados liso e ondulado, principalmente utilizando simulações de grandes escalas para a turbulência. Para o padrão estratificado com mistura na interface, tanto o modelo em CFD quanto a modelagem unidimensional padrão mostraram-se incapazes em capturar todas as nuances do escoamento, contudo o novo modelo unidimensional proposto mostra bons resultados para a análise desse padrão de escoamento e é uma modelagem promissora que precisa ser testada mais a fundo.
Título em inglês
Experimental and numerical study of stratified viscous-oil/water flow
Palavras-chave em inglês
Computational fluid dynamics
Experiments
One-dimensional model
Stratified oil-water flow
Two-phase flow
Volume-of-fluid
Resumo em inglês
The petroleum industry is highly interested in stratified oil-water flows, because they are common in pipelines and directional wells. In the past few years, many studies were developed to analyze this type of flow, through experiments or numerical modeling. However, just a few of these are focused in the flow of liquids with high viscosity ratio. Another important point is the fact that several dynamic phenomena of this type of flow, such as interfacial waves or droplet entrainment, are difficult to model and hence subject of many studies. In this context, this project evaluates the stratified viscous-oil/water flow using three different and complementary approaches: experiments, one-dimensional and three-dimensional modeling using CFD techniques. The experimental data is used to validate and to provide closure correlations used in the numerical models. The one-dimensional model proposed is based in one from the literature, developed to stratified wavy flows. The effects of entrainment are added to the model through changes in the momentum equation and in the mean properties of the fluids. The CFD simulations, using Volume-of-fluid (VOF) try to reproduce the dynamics associated with stratified flows and determine local parameters of the flow that can not be obtained through the simplified one-dimensional models. With the experimental data it was possible to define values of phases distribution, volumetric fractions, pressure drop, interfacial features and entrainment factor. The models' results show an advantage in using CFD in comparison with the one-dimensional model to stratified smooth and wavy flows, especially using large eddy simulations for turbulence. When evaluating the stratified flow with mixture at the interface, both CFD and the one-dimensional model were unable to properly represent the flow, however the new proposed one-dimensional model showed good results in the analysis of this flow pattern and it is a promising tool that needs to be further evaluated.
 
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GB_Tese_Corrigida.pdf (63.63 Mbytes)
Data de Publicação
2021-11-19
 
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