Estudo numérico e experimental da formação de escoamentos gás-líquido intermitentes em um tubo horizontal

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Costa, Camilo Augusto Santos
Data de Publicação: 2016
Tipo de documento: Tese
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UFSC
Texto Completo: https://repositorio.ufsc.br/xmlui/handle/123456789/178301
Resumo: Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, 2016.
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spelling Estudo numérico e experimental da formação de escoamentos gás-líquido intermitentes em um tubo horizontalEngenharia mecânicaEscoamento multifásicoTubosTese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, 2016.A simulação numérica de escoamento bifásicos intermitentes ainda é um tema desafiador para a engenharia. A modelagem destes problemas requer o conhecimento de múltiplas áreas da mecânica dos fluidos computacional, tais como, esquemas e métodos numéricos para captura e transporte da interface líquido-gás, modelagem da turbulência e de fenômenos interfaciais. Neste estudo, foi proposta uma nova abordagem que leva em consideração os gradientes de velocidade e frações volumétricas das fases para descrever as forças presentes em escoamentos bifásicos onde as fases se encontram separadas por uma interface de grande escala. Nas simulações numéricas foi utilizada uma formulação híbrida, que combina o Modelo de Dois Fluidos e o método do Volume de Fluido para solucionar os campos de velocidade e determinar a posição da interface. Foram simuladas situações em que os regimes intermitentes de golfadas e pistonado são gerados a partir de um regime estratificado na entrada de um tubo circular horizontal. Para avaliar o comportamento dos modelos numéricos propostos, foram realizados experimentos em um circuito de escoamento bifásico ar-água dotado de uma seção de teste construída especialmente para permitir a visualização da região da entrada. Duas técnicas experimentais foram desenvolvidas e aplicadas para a medição de parâmetros dos escoamentos bifásicos. A primeira consiste na obtenção de sequências de imagens com a posição da interface utilizando uma câmera de alta velocidade e fontes de LED. O processamento digital das imagens em software dedicado possibilitou quantificar a evolução temporal e espacial da interface (determinando assim as frações volumétricas locais e instantâneas), bem como medir parâmetros associados às golfadas e pistões (velocidade de deslocamento e frequências dominantes). Os resultados experimentais foram comparados ao modelo numérico e a outras técnicas não intrusivas de medição de fração de vazio. A fim de comparar os campos de velocidade para a água no padrão estratificado, uma técnica alternativa de Velocimetria por Imagem de Partículas foi desenvolvida em que feixe pulsado de laser foi substituído por um feixe produzido por uma fonte de LED através do uso de uma caixa colimadora de luz. Resultados experimentais obtidos com esta técnica apresentaram boa concordância com modelos numéricos para escoamentos turbulentos e laminares no padrão estratificado.<br>Abstract : The numerical simulation of intermittent two-phase flows is achallenging subject in engineering. The modeling of such problemsrequires knowledge of multiple areas of computational fluid mechanics,such as numerical schemes and methods to capture and transport thegas-liquid interface, in addition to turbulence modeling and interfacialphenomena. In this study, a new approach is proposed, which takes intoaccount the phase velocity and volumetric fraction gradients to describethe interfacial forces in two-phase flows separated by a large-scaleinterface. The solution of the velocity, pressure and volumetric fractionfields uses a hybrid formulation, which combines the Two-Fluid Modeland the Fluid Volume method to track the phase interface. Cases weresimulated in which slug and plug flow regimes were generated from astratified regime at the entrance of a horizontal circular tube. Toevaluate the behavior of the proposed numerical models, experimentswere carried out in a two-phase flow loop equipped with a transparenttest section specially constructed to allow visual assessment of the flowdevelopment. Two experimental techniques were developed andimplemented to measure the two-phase flow parameters. The firstconsists of obtaining sequences of images of the interface position usinga high-speed camera and LED sources to illuminate the flow. Processingthe images in a dedicated software package allowed the quantification ofthe spatial and temporal evolution of the interface, as well as otherintermittent flow parameters, such as frequency and characteristicvelocities (time delay). The experimental results were compared withother non-intrusive void fraction measurement techniques (capacitancesensors) and were used to validate the numerical model. As far as thestratified flow pattern is concerned, liquid phase longitudinal velocityprofiles have been measured via particle image velocimetry using aLED source and a collimator box to illuminate the seeding particlesdispersed in the flow. The experimental results obtained with thistechnique showed good agreement with numerical models for turbulentand laminar stratified flows.Barbosa Junior, Jader RisoUniversidade Federal de Santa CatarinaCosta, Camilo Augusto Santos2017-08-15T04:03:46Z2017-08-15T04:03:46Z2016info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesis176 p.| il., gráfs.application/pdf347277https://repositorio.ufsc.br/xmlui/handle/123456789/178301porreponame:Repositório Institucional da UFSCinstname:Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)instacron:UFSCinfo:eu-repo/semantics/openAccess2017-08-15T04:03:46Zoai:repositorio.ufsc.br:123456789/178301Repositório InstitucionalPUBhttp://150.162.242.35/oai/requestopendoar:23732017-08-15T04:03:46Repositório Institucional da UFSC - Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)false
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