Análise e modelização do escoamento de misturas óleo/água em condutas

Palavras-chave: Escoamento óleo/água,Modelo Euler-Euler,Método level set,EIT e COMSOL,Oil/water flows,Euler-Euler model,Level set method

O escoamento multifásico caracteriza-se pelo transporte de duas ou mais fases que podem apresentar-se em diversos padrões de escoamento. Considerando apenas os escoamentos bifásicos de fluidos imiscíveis, três principais padrões podem ser identificados: disperso, fortemente separados e intermitente. Estudos voltados para a caracterização e obtenção de informações particulares para cada tipo de escoamento podem levar à otimização e criação de sistemas de bombeio mais eficientes que possam reduzir os custos energéticos nos transportes destes fluidos. Nestes estudos, técnicas de amostragem e filmagem são amplamente usadas. As técnicas tomográficas surgem como uma alternativa para a substituição das técnicas de amostragem por serem, em sua maioria, não-intrusivas. Por outro lado, é de primordial importância ter disponíveis modelos que permitam simular estes sistemas de escoamento o que tem levado a vários estudos computacionais para obter também informações úteis para a introdução de melhorias nos sistemas de bombeio, otimizando estes sistemas de transporte. Este trabalho tem como objetivo fazer um estudo experimental dos escoamentos da mistura óleo/água nos padrões disperso e estratificado, assim como outro estudo de simulação. O estudo experimental foi realizado em uma seção de teste composta por uma conduta horizontal com 11.5 m de comprimento e 0.11 m de diâmetro interno. Os testes para o escoamento disperso foram realizados para as concentrações do óleo de 0.01, 0.13 e 0.22 v/v e as velocidades da mistura variando ente 0.9 e 2.6 m.s-1. Para o escoamento estratificado, os testes foram realizados para as velocidades superficiais da água de 0.30 e 0.45 m.s-1 e do óleo de 0.17, 0.35, 0.72, 1.00 e 1.27 m.s-1. Os fluidos utilizados foram parafina líquida (densidade 843±1 kg.m-3 e viscosidade 25±0.1 mPa.s) e água, com tensão interfacial de 46±0.01 mN.m. Sendo assim, nos experimentos foram determinadas valores de queda de pressão, e obtidas fotografias dos escoamentos e dados de Tomografia de Impedância Elétrica (EIT), através dos quais foram reconstruídas imagens internas da distribuição da condutividade normalizada na seção transversal da conduta e, utilizando também a condutividade normalizada, foi calculado o perfil de concentração volumétrica de óleo (1D) ao longo do diâmetro vertical da conduta. Recolheram-se ainda amostras das misturas em posições equidistantes ao longo do diâmetro vertical da conduta que forneceram também perfis de concentração. As simulações foram realizadas em geometria 2D utilizando Computational Fluid Dynamics (CFD), implementada no programa COMSOl Multiphysics com uma abordagem Euler-Euler para o escoamento disperso e utilizando o método level-set, para melhor descrever a interface, para o escoamento estratificado. Para a modelagem da turbulência, nos dois casos, utilizou-se o método RANS em combinação com o modelo de turbulência k-ε. As simulações para o escoamento disperso foram realizadas utilizando duas correlações para calcular o drag coefficient, Schiller-Neumann e Hainder-Levenspiel, e três equações para calcular a viscosidade, Guth e Simba (1936), Brakman (1952) e Pal (2000). Para a validação das simulações, compararam-se os valores de queda de pressão simulados com os experimentais. Os resultados obtidos para o escoamento disperso demonstraram que este padrão de escoamento foi reproduzido quer experimentalmente quer nas simulações. Experimentalmente, foi possível identificar este tipo de escoamento quer através das fotografias quer pelas imagens de EIT. As simulações conseguiram predizer o padrão de escoamento disperso e observou-se que a escolha da equação da viscosidade influenciou diretamente os parâmetros da turbulência, assim como, nos resultados da queda de pressão. Independente da concentração volumétrica do óleo e da correlação do drag coefficient utilizada, para baixas velocidades da mistura, a equação de Guth e Simba (1936) para a viscosidade da mistura conduziu a menores desvios e, para as velocidades mais altas, os menores desvios foram obtidos para a equação de Pal (2000) para a viscosidade da mistura. Para o escoamento estratificado, foram realizados inicialmente testes para a simulação em geometria 3D, a qual demonstrou ser inviável devido ao elevado esforço computacional exigido ao utilizar o método level-set, tendo por isto todos testes a que se seguiram utilizado sempre a geometria 2D. Os resultados obtidos para o escoamento estratificado demostraram também que foi possível reproduzir experimentalmente este tipo de padrão de escoamento, o qual foi perfeitamente confirmado através das imagens de EIT que estavam em linha com as fotografias. As simulações em 2D conseguiram predizer também o padrão de escoamento, e os valores de queda de pressão calculados conduziram a desvios abaixo de 10%. A simulação conseguiu também detetar alterações na interface quando se altera a velocidade do óleo, com o surgimento de ondas nesta região para a menor velocidade do óleo.

Área científica: Ciências da Engenharia e Tecnologias