MODELAGEM MATEMÁTICA E ANÁLISE NUMÉRICA DO FENÔMENO DE TRANSPORTE EM TORNO DO MOTOR DE BOMBA CENTRÍFUGA SUBMERSA
Nome: PEDRO AMERICO BRANDÃO DE OLIVEIRA FILHO
Tipo: Dissertação de mestrado acadêmico
Data de publicação: 11/08/2022
Orientador:
Nome |
Papel |
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| MARCIO FERREIRA MARTINS | Orientador |
Banca:
| Nome |
Papel |
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| MARCIO FERREIRA MARTINS | Orientador |
Resumo: Bombas centrífugas submersas (BCS) são aplicadas principalmente na elevação de petróleo em águas profundas. Devido à sua geometria, o próprio fluido elevado realiza o resfriamento do motor do equipamento. Assim, forma-se um escoamento anular vertical em torno do motor da BCS. Uma vez que em diversos instantes há a presença de gás em conjunto com o petróleo elevado e, que essas bombas estão instaladas no leito marinho, há uma enorme dificuldade em conhecer o fenômeno termofluidico existente. É de amplo conhecimento que a presença de gás causa fenômenos indesejáveis para a bomba, tais como o surging e o gas lock. Especialmente para o motor, a presença de gás pode causar um sobreaquecimento ao ponto de ocasionar
uma potencial falha, gerando enormes prejuízos para a indústria. Dado que o tema se trata de um escoamento multifásico, o presente trabalho expõe a demonstração matemática para o modelo de dois fluidos, assim como análises das equações locais de conservação de energia térmica para cada padrão bifásico de interesse. Outras demonstrações analíticas de parâmetros do fenômeno de transporte existente também são apresentadas. Tais teorias servem como base para o entendimento das análises numéricas realizadas a partir do software Ansys Fluent. Duas simulações bifásicas são executadas com distintas vazões mássicas de líquido, e possuem como geometria o protótipo do motor da BCS existente no Núcleo de Estudos em Escoamento e Medição
de Óleo e Gás (Nemog) concebido para obter a maior similaridade dinâmica possível com o protótipo real. São aplicadas para as análises numéricas o modelo multifásico Eulerian simultaneamente com o Multi-Fluid VOF, além das demais modelagens da dinâmica interfacial. Para o tratamento da turbulência, é imposto o modelo 𝑘 − 𝜔 SST para cada fase. As simulações mostram a formação do padrão bifásico Slug e distorções que a presença de gás causa na velocidade da fase líquida. Velocidades de até 1,5 m/s são atingidas na região do anular motor-shroud, expondo que o tratamento do escoamento como turbulento é adequado. Para um escoamento monofásico, o número de Nusselt tende ao valor constante de 2,70 independente da vazão de entrada. Para um escoamento bifásico, tal adimensional é função da relação entre vazões de entrada e atingem valores aproximadamente constantes na região em
que ambas as fases se fazem presentes. Dadas as condições de contorno impostas, para a primeira simulação o número de Nusselt tende a 43,1 enquanto para a segunda simulação é atingido o valor de 82,3.
