Estudo de estabilidade e transição de padrão de escoamentos estratificados em tubulações.

• Ano de defesa: 2023
• Autor(a) principal: Lazo Vásquez, David Alejandro
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
• Palavras-chave em Português: Computational fluid dynamics; Dinâmica dos fluidos computacional; Escoamento bifásico; Estabilidade de sistemas; Finite-element Method; Gas-liquid flow; Linear stability; Método dos Elementos Finitos; Taylor-Hood elements
• Link de acesso: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3150/tde-29042024-095418/

A previsão de transição de padrão de escoamentos multifásicos é essencial na indústria de óleo e gás. Sistemas multifásicos em linhas longas são frequentemente simulados com o modelo unidimensional de dois fluidos, que consiste em uma média da seção transversal por fase das equações de Navier-Stokes. É comum usar métodos de volumes finitos de primeira ordem para resolver as equações; no entanto, com métodos de discretização de baixa ordem, instabilidades físicas podem ser atenuadas devido à difusão numérica excessiva durante o crescimento de ondas. Esta tese propõe um modelo capaz de prever potenciais transições de padrão de escoamento através da solução dinâmica do modelo de dois fluidos com elementos finitos do tipo Taylor-Hood para a discretização espacial, combinado com esquemas temporais implícitos. Ultimamente, os elementos finitos do tipo Taylor-Hood têm sido utilizados para resolver as equações de Navier-Stokes devido às suas propriedades de estabilidade numérica, evitando o uso de malhas deslocadas, prática comum no método dos volumes finitos. Neste estudo, as equações diferenciais são discretizadas espacialmente com uma formulação mista de: elementos do tipo Continuo Galerkin de alta ordem para as velocidades das fases e Continuo Galerkin de baixa ordem para a pressão interfacial e a altura de líquido. Através de mapas de padrão de escoamento baseados nas equações totalmente discretizadas, o modelo estima as curvas de estabilidade neutra e limites de um problema bem posto mediante a simulação do crescimento de ondas de líquido para escoamentos estratificados lisos dentro da região Kelvin-Helmholtz Viscosa e do limite de um problema bem posto. O efeito das condições iniciais, configuração de malha e a influência da inclinação da tubulação são investigadas mediante a análise de estabilidade das equações semi-discretizadas e a análise de Fourier das equações totalmente discretizadas. Os mapas de padrão de escoamento híbridos (equações diferenciais, equações discretizadas e de dados da literatura), baseados em instabilidades Kelvin-Helmholtz e simulações dinâmicas, mostram as regiões de estabilidade para o conjunto de condições analisado. O modelo está escrito em Python 3 e a plataforma de código aberto para métodos de elementos finitos FEniCS Project. O modelo permite a adição de termos de regularização ou outros métodos de discretização espacial e temporal para futuros estudos.