Modelagem numérica de escoamento em padrão anular com transferência de calor e massa

Annular flow is the prevailing pattern in transport and energy conversion systems and therefore, one of the most important patterns in multiphase flow in ducts. The correct prediction of the pressure gradient and heat transfer coefficient is essential for optimizing the system s capacity. The objective of this work is to develop and implement a numerical algorithm capable of predicting hydrodynamic and thermal characteristics for upflow, vertical, annular flow. The numerical algorithm is then complemented with the physical modeling of phenomena that occurs in this flow pattern. These are, turbulence, entrainment and deposition and phase change. For the development of the numerical model, axial diffusion of heat and momentum is neglected. In this way the time-averaged equations are solved in their parabolic form obtaining the velocity and temperature profiles for each axial step at a time, together with the global parameters, namely, pressure gradient, mean film thickness and heat transfer coefficient, as well as their variation in the axial direction. The model is validated for the following conditions: fully-developed laminar flow with no entrainment; fully developed laminar flow with heat transfer, fully-developed turbulent flow with entrained drops, developing turbulent annular flow with entrained drops, and turbulent flow with heat transfer and phase change

O padrão anular é uma das morfologias que predominam em sistemas de transporte e conversão de energia e, por esse motivo, um dos mais importantes em escoamentos multifásicos em dutos. Este trabalho tem como objetivo o desenvolvimento e implementação de um algoritmo numérico para predizer as características hidrodinâmicas e térmicas para escoamento vertical ascendente em padrão anular. O algoritmo numérico é complementado com a modelagem física de diferentes fenômenos característicos deste padrão, como a turbulência, o entranhamento e deposição e a mudança de fase. Para o desenvolvimento do modelo numérico se considera que a difusão da quantidade de movimento e energia na direção axial é desprezível. Assim, as equações médias no tempo são resolvidas na forma parabólica, como um problema de marcha no espaço, para obter os perfis de velocidade e temperatura para cada posição axial, junto com parâmetros globais, como o gradiente de pressão e a espessura média do filme e sua mudança ao longo do duto. O modelo é validado, primeiramente, para escoamento laminar plenamente desenvolvido, sem entranhamento e com transferência de calor na região de entrada térmica. Em seguida, é realizada uma validação para escoamento turbulento, plenamente desenvolvido e com gotas entranhadas, escoamento turbulento em desenvolvimento hidrodinâmico, e, finalmente, escoamento turbulento com transferência de calor e mudança de fase. Também se realiza uma comparação sistemática das diferentes correlações mais utilizadas na literatura para avaliar o entranhamento de gotas