Simulação numérica do escoamento bifásico líquido-gás em uma bomba centrífuga radial

• Autor(a) principal: Mendonza, Carlos Eduardo Ribeira Santa Cruz
• Data de Publicação: 2017
• Tipo de documento: Trabalho de conclusão de curso
• 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/1/10528
• topic: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::FENOMENOS DE TRANSPORTE::MECANICA DOS FLUIDOS; Bombas centrífugas; Escoamento bifásico; Dinâmica dos fluidos; Fluidodinâmica computacional; Engenharia mecânica; Centrifugal pumps; Two-phase flow; Fluid dynamics; Computational fluid dynamics; Mechanical engineering

Bombas centrífugas são comumente utilizadas no transporte ou circulação de uma mistura de fluidos. O bombeio centrífugo submerso se tornou o segundo método mais utilizado de elevação artificial de petróleo e gás natural. Por outro lado, ciclos de resfriamento estão constantemente sujeitos à evaporação do fluido de trabalho, caracterizando um escoamento bifásico especialmente crítico para a indústria nuclear. A presença de uma fase gasosa pode causar uma severa degradação no desempenho da bomba, um fenômeno chamado de surging. O gás passa a se acumular e ocupar grande parte dos canais do rotor, podendo inclusive interromper toda a operação. Nesse contexto, o presente trabalho tem como objetivo empregar a ferramenta de dinâmica de fluidos computacional Ansys® CFX® para reproduzir numericamente o desempenho e dinâmica de escoamento de bomba operando com líquido e gás. Mais especificamente, reproduzir dados e imagens experimentais obtidos em bomba centrífuga radial de mesma geometria. Os fluidos utilizados foram água e ar para levantar curvas de desempenho com velocidades de rotação entre 300 e 600 rpm, vazão de líquido normalizada pela vazão de projeto entre 0,2 e 1,5 e vazão mássica de ar constante. Empregou-se o modelo Euler-Euler de dois fluidos em conjunto com o modelo polidisperso MUSIG, que leva em conta mecanismos de quebra e coalescência para modelar a fase gasosa. O modelo numérico foi capaz de prever a queda no desempenho da bomba, porém superestimou a janela de operação da mesma, indicando queda de desempenho para menores vazões de líquido, quando comparada com o experimento. Os padrões de escoamento também foram reproduzidos com sucesso, os efeitos de quebra de bolhas no interior do rotor, assim como os de coalescência em determinadas regiões, se mostraram fundamentais na modelagem do fenômeno. O presente trabalho contribui com a literatura ao comparar detalhadamente o incremento de pressão e dinâmica de escoamento obtidos numericamente com dados experimentais e ao demonstrar a robustez da ferramenta e modelos utilizados, podendo servir como ponto de partida para estudos envolvendo outras condições operacionais e combinações de modelos.