Estudo experimental da influência da mudança de direção na evolução do escoamento bifásico gás-líquido em golfadas
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Data de Publicação: | 2019 |
Tipo de documento: | Dissertação |
Idioma: | por |
Título da fonte: | Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT)) |
Texto Completo: | http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/4730 |
Resumo: | O escoamento bifásico gás-líquido no padrão golfadas possui como característica principal a intermitência das passagens das fases líquida e gasosa e é encontrado, por exemplo, em linhas de produção e transporte de petróleo e gás. O conhecimento do comportamento do escoamento em golfadas é necessário para o correto dimensionamento de tubulações ou equipamentos que operam na presença deste padrão. Nas operações de extração de petróleo em águas profundas, é comum observar situações em que a tubulação precisa se ajustar ao relevo do leito marinho, provocando assim mudanças na direção no escoamento. Nestes termos, no presente trabalho é desenvolvido um estudo experimental do escoamento bifásico gás-líquido no padrão golfadas em dutos com leve mudança de direção, constituídos de um trecho inicial horizontal seguido de um trecho inclinado. As medidas experimentais foram realizadas no circuito experimental do NUEM-UTFPR, que é composta por uma tubulação de 35,6m de comprimento e 0,026m de diâmetro interno. O circuito experimental conta com sensores resistivos para a detecção de fases instalados em quatro (4) estações de medição e uma câmera de alta taxa de aquisição de imagens que permitem monitorar os seguintes parâmetros característicos do escoamento em golfadas: velocidade da bolha alongada, comprimentos do pistão e da bolha alongada, frequência da célula unitária e fração de vazio. Três configurações de tubulação foram utilizadas, uma completamente horizontal, uma ascendente e outra descendente com ângulos de ±3º, ±5º e ±7º com relação à direção horizontal. As medidas foram realizadas para diferentes combinações de vazões de água e ar, à temperatura ambiente e pressão atmosférica na saída, que garantam o escoamento no padrão em golfadas na primeira estação de medição. Com a posse dos dados adquiridos experimentalmente, foram analisadas as influências das mudanças de direção, ascendente e descendente, no escoamento em golfadas. Nos casos ascendentes, observaram-se aumentos da velocidade da bolha alongada e do comprimento do pistão, bem como a diminuição do comprimento da bolha, principalmente para os pontos com vazões baixas de gás e de líquido (J=1-1,5m/s), onde ocorre quebra da bolha na região do cotovelo. Em relação aos casos descendentes, foram observados o fenômeno de dissipação das golfadas que gera o escoamento estratificado, um padrão de transição entre o escoamento em golfadas e o estratificado, além do pistão de gás na região logo após o cotovelo. Foi observado que em regiões descendente a velocidade da bolha alongada e o comprimento do pistão tendem a diminuir e em contrapartida o comprimento da bolha tende a aumentar. Os efeitos observados quando há mudança de direção são provocados principalmente pelo empuxo que exerce força, ora a favor do escoamento, ora contrária, modificando os parâmetros do escoamento em golfadas. |
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2020-02-28T21:20:58Z2020-02-28T21:20:58Z2019-12-16BARROS, Hedilberto Antonio Albano. Estudo experimental da influência da mudança de direção na evolução do escoamento bifásico gás-líquido em golfadas. 2019. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica e de Materiais) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2019.http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/4730O escoamento bifásico gás-líquido no padrão golfadas possui como característica principal a intermitência das passagens das fases líquida e gasosa e é encontrado, por exemplo, em linhas de produção e transporte de petróleo e gás. O conhecimento do comportamento do escoamento em golfadas é necessário para o correto dimensionamento de tubulações ou equipamentos que operam na presença deste padrão. Nas operações de extração de petróleo em águas profundas, é comum observar situações em que a tubulação precisa se ajustar ao relevo do leito marinho, provocando assim mudanças na direção no escoamento. Nestes termos, no presente trabalho é desenvolvido um estudo experimental do escoamento bifásico gás-líquido no padrão golfadas em dutos com leve mudança de direção, constituídos de um trecho inicial horizontal seguido de um trecho inclinado. As medidas experimentais foram realizadas no circuito experimental do NUEM-UTFPR, que é composta por uma tubulação de 35,6m de comprimento e 0,026m de diâmetro interno. O circuito experimental conta com sensores resistivos para a detecção de fases instalados em quatro (4) estações de medição e uma câmera de alta taxa de aquisição de imagens que permitem monitorar os seguintes parâmetros característicos do escoamento em golfadas: velocidade da bolha alongada, comprimentos do pistão e da bolha alongada, frequência da célula unitária e fração de vazio. Três configurações de tubulação foram utilizadas, uma completamente horizontal, uma ascendente e outra descendente com ângulos de ±3º, ±5º e ±7º com relação à direção horizontal. As medidas foram realizadas para diferentes combinações de vazões de água e ar, à temperatura ambiente e pressão atmosférica na saída, que garantam o escoamento no padrão em golfadas na primeira estação de medição. Com a posse dos dados adquiridos experimentalmente, foram analisadas as influências das mudanças de direção, ascendente e descendente, no escoamento em golfadas. Nos casos ascendentes, observaram-se aumentos da velocidade da bolha alongada e do comprimento do pistão, bem como a diminuição do comprimento da bolha, principalmente para os pontos com vazões baixas de gás e de líquido (J=1-1,5m/s), onde ocorre quebra da bolha na região do cotovelo. Em relação aos casos descendentes, foram observados o fenômeno de dissipação das golfadas que gera o escoamento estratificado, um padrão de transição entre o escoamento em golfadas e o estratificado, além do pistão de gás na região logo após o cotovelo. Foi observado que em regiões descendente a velocidade da bolha alongada e o comprimento do pistão tendem a diminuir e em contrapartida o comprimento da bolha tende a aumentar. Os efeitos observados quando há mudança de direção são provocados principalmente pelo empuxo que exerce força, ora a favor do escoamento, ora contrária, modificando os parâmetros do escoamento em golfadas.The gas-liquid two-phase slug flow pattern has as a main characteristic the gas and liquid phases intermittence passages and is found in oil and gas production and transportation lines, for example. The slug flow behavior knowledge is necessary for the correct pipes or equipment design, which operates on this flow pattern presence. In deep-water oil extraction operations, it is common to observe situations where the piping needs to adjust to the seabed relief, thus causing flow direction changes. Thus, in the present work, an experimental study of the gasliquid two-phase slug flow pattern in ducts with a slight direction change, consisting of horizontal initial sections followed by an inclined section is developed. The experimental measurements were performed in the NUEM-UTFPR experimental circuit, which is composed of a 35.6m long and 0.026m inner diameter pipe. The experimental circuit has resistive phase detection sensors installed in four (4) measuring stations and a high rate imaging camera that allows monitoring the following the slug flow characteristic parameters: the elongated bubble velocity, the piston, and elongated bubble lengths, the unit cell frequency and the void fraction. Three piping configurations were used, one completely horizontal, one upward and one downward with angles of ± 3º, ± 5º and ± 7º concerning the horizontal direction. Measurements were made for different air and water flow combinations at ambient temperature and outlet atmospheric pressure to ensure the slug flow pattern in the first measurement station. With the experimentally acquired data possession, the upward and downward changes influences in the slug flow were analyzed. In the upward cases, we observe the increases in the elongated bubble velocity and piston length, as well as the decreases in bubble length, especially for points with low gas and liquid flow rates (J=1-1,5m/s), where the bubble breaks in the elbow region. Regarding the descending cases, we observed the slug dissipation phenomenon that generates the stratified flow, a transition pattern between the slug and the stratified flows, and the gas piston in the region just after the elbow. It has been observed that in downward regions the elongated bubble velocity and piston length tend to decrease and in contrast, the bubble length tends to increase. The effects observed when there is a direction change are mainly caused by the buoyancy that exerts a force, sometimes in the same flow direction, or contrary, modifying the slug flow parameters.Fundação de Apoio à Educação, Pesquisa e Desenvolvimento Científico e Tecnológico da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (FUNTEF-PR)Petróleo Brasileiro (Petrobrás)porUniversidade Tecnológica Federal do ParanáCuritibaPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica e de MateriaisUTFPRBrasilCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::FENOMENOS DE TRANSPORTE::MECANICA DOS FLUIDOSEngenharia MecânicaEscoamento bifásicoTubulaçãoMediçãoBolhas (Física) - DinâmicaProcessamento de sinaisProcessamento de imagensTwo-phase flowPipingMeasurementBubbles - DynamicsSignal processingImage processingEstudo experimental da influência da mudança de direção na evolução do escoamento bifásico gás-líquido em golfadasExperimental study of direction change influence in the gas-liquid two-phase slug flow evolutioninfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisCuritibaMorales, Rigoberto Eleazar Melgarejohttp://lattes.cnpq.br/5156573817670917Marcelino Neto, Moises Alveshttp://lattes.cnpq.br/2071333457212415Paula, Igor Braga dehttp://lattes.cnpq.br/1814779476910411Santos, Paulo Henrique Dias doshttp://lattes.cnpq.br/5701155189630566Morales, Rigoberto Eleazar Melgarejohttp://lattes.cnpq.br/5156573817670917http://lattes.cnpq.br/0283378748616953Barros, Hedilberto Antonio Albanoinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT))instname:Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)instacron:UTFPRLICENSElicense.txtlicense.txttext/plain; charset=utf-81290http://repositorio.utfpr.edu.br:8080/jspui/bitstream/1/4730/3/license.txtb9d82215ab23456fa2d8b49c5df1b95bMD53ORIGINALCT_PPGEM_M_Barros, Hedilberto Antônio Albano_2019.pdfCT_PPGEM_M_Barros, Hedilberto Antônio Albano_2019.pdfapplication/pdf7450024http://repositorio.utfpr.edu.br:8080/jspui/bitstream/1/4730/2/CT_PPGEM_M_Barros%2c%20Hedilberto%20Ant%c3%b4nio%20Albano_2019.pdf045ca12ba60e3e632b41cf10adf0d8a0MD52TEXTCT_PPGEM_M_Barros, Hedilberto Antônio Albano_2019.pdf.txtCT_PPGEM_M_Barros, Hedilberto Antônio Albano_2019.pdf.txtExtracted texttext/plain321860http://repositorio.utfpr.edu.br:8080/jspui/bitstream/1/4730/4/CT_PPGEM_M_Barros%2c%20Hedilberto%20Ant%c3%b4nio%20Albano_2019.pdf.txt3500e58bb3adba3ebc72c0ca9f57c96bMD54THUMBNAILCT_PPGEM_M_Barros, Hedilberto Antônio Albano_2019.pdf.jpgCT_PPGEM_M_Barros, Hedilberto Antônio Albano_2019.pdf.jpgGenerated Thumbnailimage/jpeg1305http://repositorio.utfpr.edu.br:8080/jspui/bitstream/1/4730/5/CT_PPGEM_M_Barros%2c%20Hedilberto%20Ant%c3%b4nio%20Albano_2019.pdf.jpg23d629403bde4de86601a7069edbe0baMD551/47302020-02-29 03:01:00.507oai:repositorio.utfpr.edu.br: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ório de PublicaçõesPUBhttp://repositorio.utfpr.edu.br:8080/oai/requestopendoar:2020-02-29T06:01Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT)) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)false |
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