Estudo numérico de escoamento turbulento em padrão anular gás-líquido em dutos verticais

Multiphase flows in ducts can adopt several morphologies depending on the mass fluxes and the fluids properties. Annular flow is one of the most frequently encountered flow patterns in industrial applications. For gas liquid systems, it consists of a liquid film flowing adjacent to the wall and a gas core flowing in the center of the duct. This work presents a numerical study of this flow pattern in gas liquid systems in vertical ducts. For this, a solution algorithm was developed and implemented in FORTRAN 90 to numerically solve the governing transport equations. The mass and momentum conservation equations are solved simultaneously from the wall to the center of the duct, using the Finite Volumes Technique. Momentum conservation in the gas liquid interface is enforced using an equivalent effective viscosity, which also allows for the solution of both velocity fields in a single system of equations. In this way, the velocity distributions across the gas core and the liquid film are obtained iteratively, together with the global pressure gradient and the liquid film thickness. Convergence criteria are based upon satisfaction of mass balance within the liquid film and the gas core. For system closure, two different approaches are presented for the calculation of the radial turbulent viscosity distribution within the liquid film and the gas core. The first one combines a k- Ɛ one-equation model and a low Reynolds k-Ɛ model. The second one uses a low Reynolds k- Ɛ model to compute the eddy viscosity profile from the center of the duct right to the wall. Appropriate interfacial values for k e Ɛ are proposed, based on concepts and ideas previously used, with success, in stratified gas liquid flow. The proposed approaches are compared with an algebraic model found in the literature, specifically devised for annular gas liquid flow, using available experimental results. This also serves as a validation of the solution algorithm

Em escoamentos de mais de uma fase em dutos, estas podem adquirir diferentes morfologias, dependendo das vazões e das propriedades dos fluidos escoando. Dentre estes padrões de escoamento, um dos mais comumente encontrados em aplicações industriais é o padrão anular. Para sistemas de gás líquido este padrão consiste em um filme de líquido escoando pelas paredes e um núcleo de gás com gotas de líquido escoando na região central. Neste trabalho se apresenta um estudo numérico deste padrão de escoamento em dutos verticais, especificamente em sistemas gás líquido. Para tanto, foi desenvolvido e implementado em linguagem FORTRAN 90 um algoritmo de solução para a resolução numérica do sistema de equações de transporte que governam o fenômeno. As equações de conservação da massa e quantidade de movimento são resolvidas de forma simultânea desde o centro à parede do duto, através do Método dos Volumes Finitos. Na interface gás líquido a conservação do fluxo de quantidade de movimento é garantida através da utilização de uma difusividade equivalente, o que também possibilita a solução do campo de velocidades através de um único sistema de equações. Desta forma, os perfis de velocidades no núcleo de gás e no filme líquido são obtidos iterativamente, juntamente com o gradiente de pressão global e a espessura média do filme líquido, utilizando a condição de que os balanços globais de massa no núcleo de gás e no filme líquido sejam satisfeitos. Para o fechamento do sistema são apresentadas duas propostas para o cálculo da distribuição radial da viscosidade turbulenta, tanto no núcleo de gás quanto dentro do filme. Uma proposta combina um modelo k-L a uma equação e um modelo k-Ɛ de baixos Reynolds. A segunda utiliza somente um modelo k-Ɛ de baixos Reynolds para calcular a viscosidade turbulenta desde o centro à parede. Propõem-se valores de k e Ɛ na interface adequados para escoamento gás líquido em padrão anular, baseando-se em conceitos utilizados em estudos de escoamento gás líquido estratificado. Os modelos propostos são validados e comparados com um modelo algébrico encontrado na literatura, especificamente desenvolvido para escoamento anular gás líquido, utilizando dados experimentais disponíveis. Isto serve ao mesmo tempo como validação do algoritmo de solução