Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/11422/7423
Type: Tese
Title: Abordagem algébrico-diferencial na simulação unidimensional do escoamento bifásico em dutos
Author(s)/Inventor(s): Teixeira, Rodrigo Galvão D’Império
Advisor: Secchi, Argimiro Resende
Co-advisor: Biscaia Junior, Evaristo Chalbaud
Abstract: O escoamento simultâneo de uma fase líquida e outra fase vapor por canais, dutos e tubulações é encontrado com frequência na indústria química e de processos, com destaque para a produção e refino de petróleo, o transporte de gás natural e os reatores de energia nuclear. A simulação e o projeto destas unidades de processo exigem a solução numérica acurada e eficiente de modelos matemáticos igualmente precisos do escoamento bifásico. A pesquisa pela literatura relacionada revela que o problema de interesse vem sendo abordado por meio de simulações unidimensionais baseadas predominantemente nos Modelos de Dois Fluidos e Drift-Flux, embora ainda persista o uso de métodos que empregam a simplificação de escoamento homogêneo. Este trabalho propõe como alternativa à discretização em volumes finitos para posterior solução segregada iterativa, que as equações de balanço de massa, momentum e energia sejam resolvidas simultaneamente aos modelos constitutivos necessários por meio de métodos numéricos já consolidados para Sistemas de Equações Algébrico Diferenciais. A comparação desta estratégia com a prática atual baseada no método dos volumes finitos demonstrou a superioridade da proposta em termos de esforço computacional e acurácia dos resultados obtidos para o problema estacionário. A nova técnica foi utilizada na verificação do desempenho dos Modelos de Dois Fluidos, Drift-Flux e Homogêneo quanto à reprodutibilidade de medições experimentais. Os resultados mais acurados foram obtidos com o Modelo Drift-Flux, tornando-o uma opção ainda mais atraente para simulações de escoamentos bifásicos em face de seu equacionamento mais simples que o do Modelo de Dois Fluidos. Por fim, também foi demonstrado com discussões e resultados que a Abordagem Algébrico-Diferencial proposta é igualmente aplicável a simulações eficientes em estado transiente.
Abstract: Simultaneous flows of liquid and vapor phases through pipes, ducts and channels are frequently encountered in industrial applications, as is the case of petroleum production and refining, transportation of natural gas and nuclear power reactors. Simulation and design of such process facilities demands that efficient and accurate numerical methods be applied to equally accurate two-phase flow mathematical models. A literature survey has shown that this problem has been currently addressed by means of one-dimensional simulations based predominantly on Two-Fluid and Drift-Flux Models, although simpler methods which employ the assumption of homogeneous flow are also seen to persist. The present study proposes that these calculations, which are currently based on finite-volume discretizations and iterative sequential procedures, be performed instead by simultaneously solving all equations of change and constitutive models using established numerical methods devised for Differential-Algebraic Equations (DAE) systems. Through objective comparisons between this strategy and the finite-volume based technique, the DAE approach was proved highly advantageous in terms of computational requirements and accuracy of results for steady-state test cases. The proposed method was subsequently employed in the assessment of experimental data reproducibility with the Two-Fluid, Drift-Flux and Homogeneous models. Most accurate results were obtained with the Drift-Flux Model, thus making that approach even more atractive given its simpler formulation as compared to the Two-Fluid Model. It is lastly demonstrated through discussions and results that the proposed Differential-Algebraic Approach can also be extended to allow for efficient dynamic simulations of two-phase flow.
Keywords: Engenharia Química
Escoamento bifásico
Equações algébrico-diferenciais
Subject CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA
Program: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química
Department : Instituto Alberto Luiz Coimbra de Pós-Graduação e Pesquisa de Engenharia
Publisher: Universidade Federal do Rio de Janeiro
Issue Date: Dec-2016
Publisher country: Brasil
Language: por
Right access: Acesso Aberto
Appears in Collections:Engenharia Química

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