Estudo numérico e experimental do escoamento bifásico gás-líquido transiente com altas frações de gás através de placa de orifício

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Weise, Josiane
Data de Publicação: 2022
Tipo de documento: Tese
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UFSC
Texto Completo: https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/240953
Resumo: Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2022.
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spelling Estudo numérico e experimental do escoamento bifásico gás-líquido transiente com altas frações de gás através de placa de orifícioEngenharia mecânicaEscoamento multifásicoFluidodinâmica computacionalTese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2022.Um dos aspectos mais desafiadores na medição de vazão em linha de escoamentos multifásicos é a necessidade de medir mais de uma variável do escoamento. Estudos com foco em medidores de vazão baseados em pressão diferencial têm proposto correlacionar a vazão total ou a vazão do gás com o diferencial de pressão médio e as frações das fases com as flutuações do sinal de pressão diferencial. No entanto, a relação entre estas flutuações e as características fluidodinâmicas do escoamento multifásico é pouco abordada na literatura. Neste contexto, no presente trabalho um modelo de CFD foi inicialmente empregado para o estudo transiente do escoamento de gás úmido em medidores de vazão do tipo placa de orifício, em condições de campo. O modelo multifásico, baseado no modelo de Dois Fluidos, foi validado para o regime permanente. Em relação aos resultados transientes, o modelo foi capaz de prever a correlação positiva entre a fração de líquido no escoamento e o desvio padrão das flutuações da pressão diferencial. No entanto, observou-se nos resultados transientes uma forte dependência das flutuações da pressão diferencial com a morfologia de fases considerada para o escoamento a montante da constrição. Um estudo experimental do escoamento em padrão estratificado ondulado de ar e água através de uma placa de orifício foi também desenvolvido. Foram avaliadas velocidades superficiais na faixa entre 6,7 m/s e 14,0 m/s para o ar e entre 0,033 m/s e 0,133 m/s para a água. O trabalho experimental baseou-se na aquisição sincronizada entre o sinal de pressão diferencial e imagens do escoamento capturadas com uma câmera de alta velocidade, bem como na utilização de técnicas de processamento de imagens para a caracterização do escoamento a montante da placa de orifício. Observou-se que a dinâmica da fase líquida, pela propagação das ondas, é predominante sobre as flutuações da pressão diferencial, o que foi demonstrado tanto pela análise qualitativa das imagens quanto pelas flutuações da altura do filme de líquido. Em uma segunda etapa do estudo numérico, o modelo de Dois Fluidos foi implementado em conjunto com uma abordagem híbrida para a modelagem da transferência de quantidade de movimento interfacial devido ao arraste, a fim de considerar a existência de diferentes escalas de interface no escoamento. Inicialmente foi avaliada a capacidade do modelo em representar o escoamento estratificado ondulado a montante da placa de orifício. A avaliação do modelo foi conduzida comparando a altura do filme de líquido, a queda de pressão e parâmetros de caracterização das ondas obtidos a partir de simulações e de experimentos em um duto de seção constante. Boa concordância entre os resultados experimentais e numéricos foi observada para a velocidade superficial intermediária de gás avaliada, 10,3 m/s, com diferentes velocidades superficiais de líquido. Com o aumento da velocidade superficial de gás para 14,0 m/s, quedas de pressão menores foram observadas nas simulações em comparação aos experimentos. Nas simulações com a placa de orifício, foi observada a correlação entre as variações na vazão de líquido, resultante das ondas que se propagam a montante da constrição, com as flutuações da pressão diferencial. No entanto, a pressão diferencial média e o desvio padrão das flutuações da pressão diferencial obtidos pelas simulações foram maiores que os observados nos experimentos, sugerindo que a modelagem do termo de transferência interfacial deve ser investigada para melhor representar o rompimento da interface na placa de orifício.Abstract: One of the most challenging aspects regarding in-line flow rate measurement of multiphase flows is the need to measure more than one flow variable. Studies focusing on differential pressure flow meters have proposed to correlate the total mass flow rate or the gas flow rate with the mean differential pressure and the phase fractions with the differential pressure signal fluctuations. However, the relationship between these fluctuations and the fluid dynamic characteristics of the multiphase flows is an open topic in the literature. In this context, in the present work a CFD model was initially employed for the transient study of wet gas flow through orifice plate flow meters under field conditions. The multiphase model, based on the Two Fluid model, was validated for the steady-state. Regarding the transient results, the model could predict the positive correlation between the liquid fraction in the flow and the standard deviation of the differential pressure signal. However, the transient results showed a strong dependence of differential pressure fluctuations with the phase morphology considered for the flow upstream of the constriction. An experimental study of the wavy stratified flow of air and water through an orifice plate was also developed. Superficial velocities in the range between 6.7 m/s and 14.0 m/s of air and between 0.033 m/s and 0.133 m/s of water were evaluated. The experimental work was based on the synchronized acquisition between the differential pressure signal and images of the flow captured with a high-speed camera, as well as the use of image processing techniques to characterize the upstream flow of the orifice plate. The dynamics of the liquid phase, through the propagation of waves, were predominant over the differential pressure fluctuations, which is demonstrated both by qualitative analysis of the images and by liquid film height fluctuations. In the second step of the numerical study, the Two Fluid model was implemented with a hybrid approach for modeling drag in the interfacial momentum transfer. The purpose is to consider the existence of different interface scales in the flow. Initially, the model's capability to represent the wavy stratified flow upstream of the orifice plate was evaluated. The model evaluation was carried out by comparing liquid film height, pressure loss, and wave characterization parameters obtained from numerical simulations and experiments in a constant cross-section pipe. Good agreement between experimental and numerical results was observed for the intermediate gas superficial velocity evaluated, 10.3 m/s, with different liquid superficial velocities. Increasing gas superficial velocity to 14.0 m/s, the mathematical model predicts a lower pressure loss compared to experiments. The correlation between the variations of the liquid flow rate, resulting from waves that propagate upstream of the constriction, with the differential pressure fluctuations was observed in the simulations with the orifice plate. However, it was observed an overprediction of the results for both the mean and the standard deviation of the differential pressure, suggesting that the modeling of the interfacial transfer term should be investigated to better represent the interface break-up in the orifice plate.Paladino, Emilio ErnestoUniversidade Federal de Santa CatarinaWeise, Josiane2022-10-21T16:54:09Z2022-10-21T16:54:09Z2022info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesis219 p.| il., gráfs.application/pdf378588https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/240953porreponame:Repositório Institucional da UFSCinstname:Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)instacron:UFSCinfo:eu-repo/semantics/openAccess2022-10-21T16:54:09Zoai:repositorio.ufsc.br:123456789/240953Repositório InstitucionalPUBhttp://150.162.242.35/oai/requestopendoar:23732022-10-21T16:54:09Repositório Institucional da UFSC - Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)false
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