Estudo Teórico e Simulação Numérica do Escoamento ...
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Estudo Fenomenológico e Numérico do Escoamento Estratificado Óleo - água Ondulado e com Mistura na Interface Ricardo Pereira de Ávila Orientador: Prof. Assoc. Oscar M. H. Rodriguez Novembro 2015 NETeF (Núcleo de Engenharia Térmica e Fluidos) – EESC – USP
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Estudo Fenomenológico e Numérico do Escoamento Estratificado Óleo-água Ondulado e com Mistura na
Interface
Ricardo Pereira de Ávila
Orientador: Prof. Assoc. Oscar M. H.
Rodriguez
Novembro 2015
NETeF (Núcleo de Engenharia Térmica e Fluidos) – EESC – USP
Entranhamento de gotas: Fatores
de Entranhamento
Escoamento Estratificado com
Mistura na Interface (ST&MI)
NETeF-EESC-USP 2
Esquema do modelo do escoamento estratificado com o entranhamento de gotículas - Extraída de Hadziabdic e Oliemans
(2007).
3NETeF-EESC-USP
Fatores de Entranhamento
, o dropletso
o
AE
A
Fatores de entranhamento :( ) para a fase óleo, e, ( ) para a fase água.
4NETeF-EESC-USP
Fatores de Entranhamento
oE
, w dropletsw
w
AE
A
wE
Método de identificação das alturas das interfaces, correspondentes aos pontos de inflexão nas oscilações das curvas de distribuições de fases: 34D, Um = 0,20m/s,
(vermelho) e água (azul) – Extraída de Yusoff (2012) (modificada).
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Fatores de Entranhamento - Yusoff (2012)
Representação esquemática para o cálculo do fator de empacotamento de gotas bidimensional (FEG-2D).
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Fatores de Entranhamento - Yusoff (2012)
Comparação entre as alturas de interfaces para diferentes modelos fenomenológicos (RO) Rodriguez e Oliemans (2006) modificado, (RB) Rodriguez e Baldani (2012),
(RO-FE) Rodriguez e Oliemans (2006) com Fator de Entranhamento, (RB-FE) Rodriguez e Baldani (2012) com Fator de Entranhamento.
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Fatores de Entranhamento - Yusoff (2012)
Comparação entre os fatores de entranhamento da água:(a) sem FEG-2D, (b) com FEG-2D .
8NETeF-EESC-USP
Fatores de Entranhamento - Yusoff (2012)
(a) (b)
Comparação entre os fatores de entranhamento do óleo:(a) sem FEG-2D, (b) com FEG-2D .
9NETeF-EESC-USP
Fatores de Entranhamento - Yusoff (2012)
(a) (b)
Comparação entre os gradientes de pressão calculados pelos modelos em relação aos dados experimentais – Rodriguez e Oliemans (2006):
(a) RO-FE e RB-FE; (b) RB e RB-FE.10NETeF-EESC-USP
Fatores de Entranham. – Rod.Oliem.(2006)
(a) (b)
Fatores de entranhamento de óleo e de água (RB-FE) em função da fração volumétrica de água (dados experimentais) – Rodriguez e
Oliemans (2006).11NETeF-EESC-USP
Fatores de Entranham. – Rod.Oliem.(2006)
(a) (b)
12NETeF-EESC-USP
Fatores de Entranham. – Rod.Oliem.(2006)
(a) (b)
Áreas de entranhamento de óleo e de água (RB-FE) em função da fração volumétrica de água (dados experimentais) – Rodriguez e Oliemans
(2006).
Simulações Numéricas em CFD:
escoamento estratificado ondulado
óleo-água
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• Escoamento estratificado ondulado óleo-água;
• Teste de malha (em n° de nós):
200.000: holdup e gradiente de pressão (-dp/dz);
• Malhas utilizadas (em n° de nós):
200.000: holdup e gradiente de pressão (-dp/dz);
800.000: transição de malhas;
3.200.000: geometria e parâmetros de onda;
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Simulações Numéricas em CFD
Volume de controle e pontos de tomada de pressão (cruzesamarelas em z = 1,5m e z = 1,75m) - óleo (vermelho) e água (azul) Uws = 0,15m/s e Uos = 0,10m/s, horizontal, comprimento do
tubo: 2m (CFX-Post®).
Volume de Controle e Pontos de Pressão
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Resultados: Holdup (óleo)
Fração volumétrica do óleo - Pereira (2011): horizontal, Uws = 0,15m/s , Uos = 0,03m/s , 0,05m/s , 0,07m/s , 0,10m/s , 0,13m/s e 0,15m/s ,(a) previsões, (b) erros.
(a) (b)
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Resultados: Holdup (óleo)
Fração volumétrica do óleo - Pereira (2011): -10°,Uws = 0,15m/s , Uos = 0,03m/s , 0,05m/s , 0,07m/s , 0,10m/s , 0,13m/s e 0,15m/s ,(a) previsões, (b) erros.
(a) (b)
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Resultados: Holdup (óleo)
Fração volumétrica do óleo - Pereira (2011): +10°, Uws = 0,15m/s , Uos = 0,03m/s , 0,05m/s , 0,07m/s , 0,10m/s , 0,13m/s e 0,15m/s ,(a) previsões, (b) erros.
(b)(a)
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Resultados: Gradiente de Pressão
Fração volumétrica do óleo - Pereira (2011): horizontal, Uws = 0,15m/s , Uos = 0,03m/s , 0,05m/s , 0,07m/s , 0,10m/s , 0,13m/s e 0,15m/s ,(a) previsões, (b) erros.
(b)(a)
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Resultados: Holdup (óleo) - Erros
Erros médios globais para as previsões da fração volumétrica de óleo - Pereira (2011).
Inclinação [°] Homogêneo Rodriguez e
Oliemans
(2006)
Rodriguez e
Baldani (2012) CFD
0 38,29 48,00 3,87 15,37
-10 39,48 50,94 8,57 15,90
-20 34,50 36,54 14,38 13,18
+10 37,31 43,05 13,62 15,68
+20 30,28 24,30 26,46 5,40
Inclinação [°] Homogêneo Rodriguez e
Oliemans
(2006)
Rodriguez e
Baldani (2012) CFD
0 283,90 216,50 11,70 142,00
-10 70,47 60,76 1,33 27,40
-20 31,08 29,51 2,23 10,90
+10 39,68 22,93 6,44 19,03
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Resultados: Gradiente de Pressão - Erros
Erros médios globais para as previsões do gradiente de pressão -Pereira (2011).
Malhas (em n° de nós): (a) 200.000 , (b) 800.000 , (c) 3.200.000 . (ICEM-CFD®).
Geometria e Parâmetros de Onda
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(a) (b) (c)
Interface ondulada na região de simetria,seções tranversais (interface convexa e côncava), Óleo (vermelho) e água (azul),Uws = 0,15m/s e Uos = 0,10m/s, horizontal, (CFX-Post®).
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Geometria e Parâmetros de Onda
Seções tranversais: (a) côncava, (b) convexa, Óleo (vermelho) e água (azul),Uws = 0,15m/s e Uos = 0,10m/s, horizontal, (CFX-Post®).
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Geometria e Parâmetros de Onda
(a) (b)
Uws = 0,16 m/s Amplitude Desvio
padrão
[mm]
Comprim. Desvio
padrão
[mm]
Celeridade Desvio
padrão
[mm] Uos = 0,02 m/s [mm] [mm] [m/s]
Experimental 4,00 1,93 29,45 11,33 0,11 0,03
CFD
1° 4,21 3,01 138,26 63,99 1,18 0,46
2° 3,15 1,31 110,21 37,75 2,03 0,97
3° 3,21 1,40 106,43 35,64 2,08 0,85
Erros para os parâmetros de onda: Uws = 0,16m/s, Uos = 0,02m/s (LabVIEW®).
Geometria e Parâmetros de Onda - Erros
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Agradecimentos
• Prof. Assoc. Oscar M. H. Rodriguez;
• Prof. Dr. Marcelo Souza de Castro;
• Marcel Barbosa Cavallini;
• colegas;
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Simulações Numéricas em CFD:
escoamento estratificado ondulado
óleo-água
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Resultados: Holdup (óleo)
Fração volumétrica do óleo - Pereira (2011): -20°, Uws = 0,10m/s , Uos = 0,03m/s , 0,05m/s , 0,07m/s , 0,10m/s , 0,13m/s e 0,15m/s ,(a) previsões, (b) erros.
(b)(a)
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Resultados: Holdup (óleo)
Fração volumétrica do óleo - Pereira (2011): +20°, Uws = 0,10m/s , Uos = 0,03m/s , 0,05m/s , 0,07m/s , 0,10m/s , 0,13m/s e 0,15m/s ,(a) previsões, (b) erros.
(b)(a)
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Resultados: Gradiente de Pressão
Fração volumétrica do óleo - Castro (2013): horizontal, Uos = 0,02m/s , 0,04m/s , 0,06m/s , 0,08m/s , 0,10m/s , 0,12m/s e 0,14m/s ,(a) previsões p/ Uws = 0,13m/s , (b) previsões p/ Uws = 0,16m/s .
(b)(a)
Uws [m/s] Homogêneo Rodriguez e
Oliemans
(2006)
Rodriguez e
Baldani (2012) CFD
0,13 210,18 112,69 34,89 147,53
0,16 203,48 130,64 18,68 178,03
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Resultados: Gradiente de Pressão - Erros
Erros médios globais para as previsões do gradiente de pressão -Castro (2013), horizontal.
Malhas (em n° de nós): (a) 200.000 , (b) 800.000 , (c) 3.200.000 . (ICEM-CFD®).
Geometria e Parâmetros de Onda
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Uws = 0,12 m/s Amplitude Desvio
padrão
[mm]
Comprim. Desvio
padrão
[mm]
Celeridade Desvio
padrão
[mm] Uos = 0,06 m/s [mm] [mm] [m/s]
Experimental 3,02 1,31 25,72 9,85 0,17 0,03
CFD 0,99 0,62 94,91 39,06 - -
