Simulação computacional da interação fluido-estrutura em bombas de cavidades progressivas

The pumping through progressing cavities system has been more and more employed in the petroleum industry. This occurs because of its capacity of elevation of highly viscous oils or fluids with great concentration of sand or other solid particles. A Progressing Cavity Pump (PCP) consists, basically, of a rotor - a metallic device similar to an eccentric screw, and a stator - a steel tube internally covered by a double helix, which may be rigid or deformable/elastomeric. In general, it is submitted to a combination of well pressure with the pressure generated by the pumping process itself. In elastomeric PCPs, this combined effort compresses the stator and generates, or enlarges, the clearance existing between the rotor and the stator, thus reducing the closing effect between their cavities. Such opening of the sealing region produces what is known as fluid slip or slippage, reducing the efficiency of the PCP pumping system. Therefore, this research aims to develop a transient three-dimensional computational model that, based on single-lobe PCP kinematics, is able to simulate the fluid-structure interaction that occurs in the interior of metallic and elastomeric PCPs. The main goal is to evaluate the dynamic characteristics of PCP s efficiency based on detailed and instantaneous information of velocity, pressure and deformation fields in their interior. To reach these goals (development and use of the model), it was also necessary the development of a methodology for generation of dynamic, mobile and deformable, computational meshes representing fluid and structural regions of a PCP. This additional intermediary step has been characterized as the biggest challenge for the elaboration and running of the computational model due to the complex kinematic and critical geometry of this type of pump (different helix angles between rotor and stator as well as large length scale aspect ratios). The processes of dynamic generation of meshes and of simultaneous evaluation of the deformations suffered by the elastomer are fulfilled through subroutines written in Fortan 90 language that dynamically interact with the CFX/ANSYS fluid dynamic software. Since a structural elastic linear model is employed to evaluate elastomer deformations, it is not necessary to use any CAE package for structural analysis. However, an initial proposal for dynamic simulation using hyperelastic models through ANSYS software is also presented in this research. Validation of the results produced with the present methodology (mesh generation, flow simulation in metallic PCPs and simulation of fluid-structure interaction in elastomeric PCPs) is obtained through comparison with experimental results reported by the literature. It is expected that the development and application of such a computational model may provide better details of the dynamics of the flow within metallic and elastomeric PCPs, so that better control systems may be implemented in the artificial elevation area by PCP

O sistema de bombeamento por cavidades progressivas está sendo cada vez mais empregado na indústria do petróleo, devido à sua capacidade de elevação de óleos altamente viscosos ou de fluidos com grandes concentrações de areia ou outras partículas sólidas. Uma Bomba de Cavidades Progressivas (BCP) é composta, basicamente, por um rotor - uma peça metálica de forma semelhante a um parafuso excêntrico, e um estator - um tubo de aço revestido internamente por uma hélice dupla, a qual pode ser rígida ou deformável/elastomérica. Em geral, uma BCP é submetida a uma combinação de pressão do poço com pressão gerada pelo próprio processo de bombeio. Em BCPs elastoméricas, essa combinação de esforços comprime o estator, gerando ou aumentando a folga existente entre o rotor e o estator, reduzindo, portanto, o efeito de vedação entre suas cavidades. Tal abertura da região de selagem produz o que é conhecido como escorregamento do fluido, diminuindo, com isso, a eficiência de sistema de bombeio por BCP. Dessa maneira, este trabalho se propõe a desenvolver um modelo computacional tridimensional transiente do processo dinâmico da interação fluido-estrutural (FSI) que ocorre no interior de BCPs metálicas e elastoméricas. O objetivo principal é avaliar, a partir do uso do modelo desenvolvido, as características dinâmicas de eficiência de bombeio por BCPs, em função de informações locais e instantâneas detalhadas dos campos de velocidade, pressão e deformação no seu interior. Para o alcance de tais metas (desenvolvimento e uso do modelo), fez-se necessário o desenvolvimento de uma metodologia própria para geração de malhas computacionais dinâmicas, móveis e deformáveis, representando as regiões fluida e estrutural de uma BCP. Tal procedimento caracterizou-se como o maior desafio para a elaboração do modelo computacional, devido à cinemática complexa e à geometria crítica desse tipo de bomba (ângulos de hélice diferentes entre rotor e estator e grandes diferenças de escala de comprimento). Os processos de geração dinâmica das malhas e de avaliação simultânea das deformações sofridas pelo elastômero são realizados através de sub-rotinas em linguagem Fortran 90, as quais interagem dinamicamente com o software de dinâmica dos fluidos computacional CFX/ANSYS. Desde que o modelo linear elástico é empregado para avaliar as deformações elastoméricas, não é necessário usar nenhum software para análise estrutural. Entretanto, uma proposta inicial para simulação dinâmica no ANSYS empregando-se modelos constitutivos hiper-elásticos para o elastômero é também apresentada no presente trabalho. A validação dos resultados produzidos com a presente metodologia (geração de malha, simulação do escoamento em BCPs metálicas e simulação da interação fluido-estrutural em BCPs elastoméricas) é obtida através da comparação com resultados experimentais reportados pela literatura. Vislumbra-se que o desenvolvimento e aplicação de tal ferramenta computacional poderão fornecer maiores detalhes da dinâmica do escoamento no interior de BCPs metálicas e elastoméricas, de maneira que melhores sistemas de controle possam ser implementados na área de elevação artificial por BCPs