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Type: Tese
Title: Transient modeling and simulation of piston devices moving through single-phase and two-phase flows in pipes applied to pigs and plungers
Author(s)/Inventor(s): Viggiano Neves de Freitas, Raphael
Advisor: Rachid Bodstein, Gustavo Cesar
Co-advisor: Bastos de Freitas Rachid, Felipe
Abstract: A passagem de um pistão ao longo de tubulações é comumente utilizada na indústria de óleo e gás para atender diversos objetivos: limpeza, monitoramento e aumento da eficiência na produção. Este tipo de dispositivo necessita da interação com o escoamento para se mover ao longo da tubulação, ou seja, é a diferença de pressão através do pistão que permite sua movimentação. Para garantir correta operação deste dispositivo, é essencial prever a dinâmica do pistão e os seus efeitos no escoamento. No presente trabalho duas modelagens de pig são estudadas e um modelo de plunger em estágio de ascensão é posposto. O modelo de pig é aplicado a escoamento monofásico e bifásico incluindo a vazão de bypass através do corpo do pistão. O modelo do plunger em ascensão inclui os efeitos de retorno de líquido e deslizamento de gás através do dispositivo. Além disso, é proposta uma nova metodologia de acoplamento entre os modelos de pistão com os de escoamento transiente. Para o caso em que escoamento bifásico é analisado, dois modelos de dois fluidos são testados em associação com diversos métodos numéricos e validados através da solução de problemas benchmarks. Os resultados obtidos com para pig são comparados com resultados presentes na literatura para escoamentos monofásicos e bifásico no padrão estratificado. Já os resultados para plunger são validados com dados da literatura e, também, com dados experimentais adquiridos neste trabalho
Abstract: The passage of piston devices through pipes is commonly used in the oil and gas industries for the purposes of cleaning, monitoring, and increasing production efficiency. These devices are not self-driven and require their interaction with the flow entailing a pressure discontinuity across the piston body that drives it along the pipe. To ensure the proper operation of such devices it is crucial to predict the dynamics of the piston and its effects on the flowline. In this work, two modeling approaches are studied for pigs, and one model is proposed for a plunger upstroke. The pig model is applied to single-phase flow, and two-phase flow, including the bypass flow through the piston body. The plunger upstroke model includes the effects of liquid fallback and the gas slippage through the plunger body. In addition, a new methodology is proposed for the coupling of the piston models with the transient one-dimensional flow models. For the two-phase flow models, two two-fluid models are tested with different numerical methods, with the combinations of model-method being validated through benchmarking. The results obtained with the pig model are compared with results from the literature under single-phase and two-phase stratified flow. The results obtained with the plunger upstroke model are also validated with data from the literature, and with experimental data acquired during this work
Keywords: Métodos de simulação
Fluxo de fluidos
Escoamento
Pistão
Tubulação
Subject CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::FENOMENOS DE TRANSPORTE::MECANICA DOS FLUIDOS
Program: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica
Production unit: Instituto Alberto Luiz Coimbra de Pós-Graduação e Pesquisa de Engenharia
Publisher: Universidade Federal do Rio de Janeiro
Issue Date: Jul-2022
Publisher country: Brasil
Language: eng
Right access: Acesso Aberto
Citation: FREITAS, Raphael Viggiano Neves de. Transient modeling and simulation of piston devices moving through single-phase and two-phase flows in pipes applied to pigs and plungers. 2022. 333 f. Tese (Doutorado) - Curso de Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, COPPE, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2022.
Appears in Collections:Engenharia Mecânica

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