Tese
Escolamento laminar de líquidos não-newtonianos em seções anulares: estudos de CFD e abordagem experimental
Registro en:
PEREIRA, Fabio de Assis Ressel. Escolamento laminar de líquidos não-newtonianos em seções anulares: estudos de CFD e abordagem experimental. 2006. 251 f. Tese (Doutorado em Engenharias) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2006.
Autor
Pereira, Fabio de Assis Ressel
Institución
Resumen
The annular flow has great importance in the oil industry, in drilling operations with
cuttings removal by drilling mud and also in petroleum artificial lifting, with progressive
cavity pumping systems. The constant concern about operation costs and the more frequent
necessity of raising the production capacity implies in larger flow through oil wells. In this
way the pressure drop through the annular region started to represent a significant amount of
the overall energy to be supplied, consequently its prediction assumed an important role in the
dimensioning of these units.
In the present study, the flow field analysis was based on experimental approach and
also applying numeric techniques of computational fluid dynamics (CFD).
In the experimental part, a pilot unit was assembled to investigate the horizontal flow
of non-Newtonian liquids though the annular space formed by two tubes with concentric and
eccentric layouts. The planned experimental assays were conduced to evaluate the effect of
the main variables over the pressure drop, such as: system geometry (e=0,00; e=0,75), shaft
rotation (0 < W < 600 RPM), polymeric concentration (0,25 < CP < 0,55 %) and fluid flow
(0,2 < Q < 2,2 m3/h).
This work also contemplates, through commercial CFD codes simulations, the
investigation of experimental conditions by analyzing the profiles: of pressure drop, entrance
length, axial and tangential velocities and flow trajectories. Considering that these variables
are relevant to the whole understanding of drilling mud flow and cuttings transport.
The comparison between the results obtained by the two techniques showed good
agreement, allowing a satisfactory performance valuation of the numeric technique. The
prediction capacity was also observed considering some experimental results reported in the
literature, in order to verify the adopted mathematical models, the coupling algorithms and the
computational grid used. Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais Doutor em Engenharia Química O escoamento de fluidos em regiões anulares tem grande destaque na indústria
petrolífera, tanto na perfuração, com o carreamento das partículas pelos fluidos de perfuração,
quanto na elevação artificial do petróleo por sistemas de bombeamento com cavidades
progressivas. A constante preocupação com custos de operação e a necessidade cada vez mais
freqüente de aumentos nas capacidades de produção implicam em vazões cada vez maiores
nos poços. Com isso as perdas de carga ao longo do anular tubo/eixo passaram a representar
uma quantia significativa da energia total a ser fornecida e consequentemente a sua
determinação assumiu papel importante no dimensionamento de tais unidades.
No estudo desenvolvido, a análise do campo de escoamento de líquidos, baseou-se
numa abordagem experimental e também na utilização de técnicas numéricas de
fluidodinâmica computacional (CFD).
Na parte experimental, montou-se uma unidade piloto para investigar o fluxo
horizontal de líquidos não Newtonianos na região anular formada por dois tubos em arranjos
concêntrico e excêntrico. Os ensaios experimentais planejados foram conduzidos no sentido
de avaliar o efeito das principais variáveis sobre a queda de pressão, como: excentricidade do
sistema (e=0,00; e=0,75), rotação do eixo (0>w>600 RPM), concentração polimérica (0,25 < Cp < 0,55%) e vazão de escoamento (0,2 < Q < 2,2 m³/h). O trabalho realizado também contempla, através da simulação empregando códigos
comerciais de CFD, a investigação das condições experimentais testadas na análise dos perfis:
de queda de pressão, do comprimento de entrada, de velocidades axial e tangencial e trajetória
de escoamento. Usualmente, considera-se que essas variáveis são relevantes no entendimento
pormenorizado do escoamento de fluidos de perfuração e das partículas por elas
transportadas.
A comparação dos resultados experimentais e simulados mostrou boa concordância,
permitindo a satisfatória avaliação do desempenho da técnica numérica empregada. A
capacidade preditiva da técnica numérica também foi observada, considerando alguns
resultados experimentais reportados na literatura, buscando uma forma de verificação de
modelos matemáticos adotados bem como os algoritmos de acoplamento e a malha
computacional empregada.