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

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

Análise e modelagem do escoamento transitório de fluidos de perfuração

Drilling fluids present a thixotropic behavior and they usually gel when at rest. The sol-gel transition is fundamental to prevent the deposit of rock fragments, generated by drilling the well, over the drill bit during eventual stops. Under those conditions, high pressures are then required in order to break-up the gel when circulation is resumed. Moreover, very high pressures can damage the rock formation at the bottom of the well. Thus, a better understanding of thixotropy and the behavior of thixotropic materials becomes increasingly important for process control. The mechanisms that control thixotropy are not yet well defined and modeling is still a challenge. The objective of this work is to develop a mathematical model to study the pressure transmission in drilling fluids. This work presents a review of thixotropy and of different mathematical models found in the literature that are used to predict such characteristic. It also shows a review of transient flows of compressible fluids. The problem is modeled as the flow between the drillpipe and the annular region (space between the wall and the external part of the drillpipe). The equations that describe the problem (mass conservation, momentum balance, constitutive and state) are then discretized and numerically solved by using a computational algorithm in Fortran. The model is validated with experimental and numerical data obtained from the literature. Comparisons between experimental data obtained from Petrobras and calculated by three viscoplastic and one pseudoplastic models are conducted. The viscoplastic fluids, due to the yield stress, do not fully transmit the pressure to the outlet of the annular space. Sensibility analyses are then conducted in order to evaluate the thixotropic effect in pressure transmission.

Modelagem e simulação do escoamento imiscível em meios porosos fractais descritos pela equação de Kozeny-Carman Generalizada

O presente trabalho trata do escoamento bifásico em meios porosos heterogêneos de natureza fractal, onde os fluidos são considerados imiscíveis. Os meios porosos são modelados pela equação de Kozeny-Carman Generalizada (KCG), a qual relaciona a porosidade com a permeabilidade do meio através de uma nova lei de potência. Esta equação proposta por nós é capaz de generalizar diferentes modelos existentes na literatura e, portanto, é de uso mais geral. O simulador numérico desenvolvido aqui emprega métodos de diferenças finitas. A evolução temporal é baseada em um esquema de separação de operadores que segue a estratégia clássica chamada de IMPES. Assim, o campo de pressão é calculado implicitamente, enquanto que a equação da saturação da fase molhante é resolvida explicitamente em cada nível de tempo. O método de otimização denominado de DFSANE é utilizado para resolver a equação da pressão. Enfatizamos que o DFSANE nunca foi usado antes no contexto de simulação de reservatórios. Portanto, o seu uso aqui é sem precedentes. Para minimizar difusões numéricas, a equação da saturação é discretizada por um esquema do tipo "upwind", comumente empregado em simuladores numéricos para a recuperação de petróleo, o qual é resolvido explicitamente pelo método Runge-Kutta de quarta ordem. Os resultados das simulações são bastante satisfatórios. De fato, tais resultados mostram que o modelo KCG é capaz de gerar meios porosos heterogêneos, cujas características permitem a captura de fenômenos físicos que, geralmente, são de difícil acesso para muitos simuladores em diferenças finitas clássicas, como o chamado fenômeno de dedilhamento, que ocorre quando a razão de mobilidade (entre as fases fluidas) assume valores adversos. Em todas as simulações apresentadas aqui, consideramos que o problema imiscível é bidimensional, sendo, portanto, o meio poroso caracterizado por campos de permeabilidade e de porosidade definidos em regiões Euclideanas. No entanto, a teoria abordada neste trabalho não impõe restrições para sua aplicação aos problemas tridimensionais.

Simulação numérica do escoamento de água em áreas alagáveis da floresta amazônica com a utilização da estrutura de dados Autonomous Leaves Graph

A Amazônia exibe uma variedade de cenários que se complementam. Parte desse ecossistema sofre anualmente severas alterações em seu ciclo hidrológico, fazendo com que vastos trechos de floresta sejam inundados. Esse fenômeno, entretanto, é extremamente importante para a manutenção de ciclos naturais. Neste contexto, compreender a dinâmica das áreas alagáveis amazônicas é importante para antecipar o efeito de ações não sustentáveis. Sob esta motivação, este trabalho estuda um modelo de escoamento em áreas alagáveis amazônicas, baseado nas equações de Navier-Stokes, além de ferramentas que possam ser aplicadas ao modelo, favorecendo uma nova abordagem do problema. Para a discretização das equações é utilizado o Método dos Volumes Finitos, sendo o Método do Gradiente Conjugado a técnica escolhida para resolver os sistemas lineares associados. Como técnica de resolução numérica das equações, empregou-se o Método Marker and Cell, procedimento explícito para solução das equações de Navier-Stokes. Por fim, as técnicas são aplicadas a simulações preliminares utilizando a estrutura de dados Autonomous Leaves Graph, que tem recursos adaptativos para manipulação da malha que representa o domínio do problema

Previsão do comportamento hidráulico de um rio com base na estimativa de coeficientes que controlam seu escoamento. Estudo de caso: Rio Bengalas, Nova Friburgo-RJ

Nesta tese é realizada a modelagem do comportamento hidráulico dos principais rios que compõem a bacia hidrográfica do Rio Bengalas, localizada no município de Nova Friburgo-RJ, a qual abrange a área mais urbanizada da referida cidade. Para a realização das simulações foi utilizado o Sistema de Modelagem de Águas MOHID, ferramenta MOHID Land. Já para a calibração do modelo foram adotados alguns métodos de otimização, mais precisamente, os algoritmos de Luus- Jaakola (LJ) e Colisão de Partículas (PCA), acoplados ao referido sistema, com o intuito de determinar os principais parâmetros necessários à modelagem de corpos hídricos, bem como suas bacias hidrográficas. Foram utilizados dados topográficos do IBGE disponibilizados pela prefeitura após a elaboração do Plano de Águas Pluviais da região de interesse. Com o modelo devidamente calibrado por meio de dados experimentais, foi realizada a validação do mesmo através da simulação de inundações nesta região. Apesar de técnicas de otimização acopladas à plataforma MOHID terem sido utilizadas pela primeira vez em um rio de montanha, os resultados apresentaram-se importantes e qualitativamente satisfatórios do ponto de vista de auxílio à tomada de decisões, tendo como base a prevenção de danos causados pelas elevações da lâmina dágua que ocorrem frequentemente em Nova Friburgo, como por exemplo, a recente tragédia de janeiro de 2011 ocorrida na Região Serrana do Estado do Rio de Janeiro.

Substratos para uso em telhados verdes: Avaliação da retenção hídrica e qualidade da água de escoamento.

Telhados verdes são uma alternativa interessante para mitigar o risco de enchentes dada a enorme área de telhados não utilizada das superfícies impermeáveis nas áreas urbanas. Graças a sua capacidade de armazenagem de água, os telhados verdes podem reduzir significativamente o pico de escoamento dos eventos de maior pluviosidade. Investigações sobre a composição de substratos baseados em materiais locais e projetos adequados para regiões climáticas tropicais são menos frequentes. Vegetação e substrato são elementos de um telhado verde que precisam ser adaptados para cada microclima e não universalizados. O objetivo deste estudo foi avaliar o desempenho de diferentes composições de substratos baseados em solo local, biomassa de coco, condicionador de solo e componentes comerciais, com a finalidade de maximizar a capacidade de retenção da água de chuva e diminuir necessidades de manutenção. Um pré-ensaio de colunas avaliou a capacidade de retenção hídrica e a relação peso seco x peso úmido de 15 composições de substrato. As composições com melhores resultados constituíram os substratos S1(15% solo + 55% coco + 30%componentes comerciais), S2 (30% solo + 40% coco + 30%componentes comerciais) e S3 (60% solo + 10% coco + 30%componentes comerciais). A caracterização físico-química dos substratos, solo e fibra de coco foi realizada. Em seguida um teste de colunas avaliou a capacidade de retenção hídrica dos substratos sob duas condições de precipitação: uma leve (8,77 mm/h); e outra mais forte (42,0 mm/h). Os resultados apontaram que os substratos S2 e S3 apresentaram melhores resultados de retenção para ambas as intensidades de precipitação. Observou-se que S1, que apresentou melhor capacidade de retenção no pré-ensaio, teve desempenho inferior aos demais o que pode ser atribuído à maior concentração de fibra de coco na sua composição e o consequente surgimento de caminhos preferenciais ao longo do perfil da coluna, por onde a água escoou mais rapidamente. Em eventos de precipitação mais leve, os substratos reteram de 60 a 100% do total aplicado. Quando se aplicou uma intensidade de precipitação mais forte, a faixa de retenção ficou entre 40% e 59%. No entanto, as variáveis analisadas para avaliar a qualidade da água de escoamento dos substratos (pH, CE, P, NO3, NH4, Ca, Mg, Cu, Fe, Mn, Zn, Cr, Co, Ni) ficaram acima dos valores comumente encontrados na literatura, indicando que as composições aqui adotadas para os substratos podem implicar em uma fonte de poluição hídrica. Os substratos para uso em telhados verdes apresentados neste estudo atenderam seu objetivo quanto à retenção hídrica, mas a qualidade da água percolada torna seu uso inviável até o momento. Verificou-se a necessidade de estudar mais profundamente a qualidade da água lixiviada por cada componente dos substratos, individualmente, a fim de identificar as fontes dos elementos que presentes em concentrações elevadas tornam-se poluentes. Pode ser considerada a remoção de algum (s) dos componentes presentes na composição para se atingir um nível satisfatório de qualidade da água de escoamento.

Abordagens do tipo livre de jacobiana na simulação do escoamento de fluidos compressíveis em meios porosos

O desenvolvimento de software livre de Jacobiana para a resolução de problemas formulados por equações diferenciais parciais não-lineares é de interesse crescente para simular processos práticos de engenharia. Este trabalho utiliza o chamado algoritmo espectral livre de derivada para equações não-lineares na simulação de fluxos em meios porosos. O modelo aqui considerado é aquele empregado para descrever o deslocamento do fluido compressível miscível em meios porosos com fontes e sumidouros, onde a densidade da mistura de fluidos varia exponencialmente com a pressão. O algoritmo espectral utilizado é um método moderno para a solução de sistemas não-lineares de grande porte, o que não resolve sistemas lineares, nem usa qualquer informação explícita associados com a matriz Jacobiana, sendo uma abordagem livre de Jacobiana. Problemas bidimensionais são apresentados, juntamente com os resultados numéricos comparando o algoritmo espectral com um método de Newton inexato livre de Jacobiana. Os resultados deste trabalho mostram que este algoritmo espectral moderno é um método confiável e eficiente para a simulação de escoamentos compressíveis em meios porosos.

Uma Metodologia de Estudo de Simulação Tridimensional de Escoamento Turbulento Estratificado no Reservatório de Plantas Hidrelétricas.

Uma simulação numérica que leva em conta os efeitos de estratificação e mistura escalar (como a temperatura, salinidade ou substância solúvel em água) é necessária para estudar e prever os impactos ambientais que um reservatório de usina hidrelétrica pode produzir. Este trabalho sugere uma metodologia para o estudo de escoamentos ambientais, principalmente aqueles em que o conhecimento da interação entre a estratificação e mistura pode dar noções importantes dos fenômenos que ocorrem. Por esta razão, ferramentas de simulação numérica 3D de escoamento ambiental são desenvolvidas. Um gerador de malha de tetraedros do reservatório e o modelo de turbulência algébrico baseado no número de Richardson são as principais ferramentas desenvolvidas. A principal dificuldade na geração de uma malha de tetraedros de um reservatório é a distribuição não uniforme dos pontos relacionada com a relação desproporcional entre as escalas horizontais e verticais do reservatório. Neste tipo de distribuição de pontos, o algoritmo convencional de geração de malha de tetraedros pode tornar-se instável. Por esta razão, um gerador de malha não estruturada de tetraedros é desenvolvido e a metodologia utilizada para obter elementos conformes é descrita. A geração de malha superficial de triângulos utilizando a triangulação Delaunay e a construção do tetraedros a partir da malha triangular são os principais passos para o gerador de malha. A simulação hidrodinâmica com o modelo de turbulência fornece uma ferramenta útil e computacionalmente viável para fins de engenharia. Além disso, o modelo de turbulência baseado no número de Richardson leva em conta os efeitos da interação entre turbulência e estratificação. O modelo algébrico é o mais simples entre os diversos modelos de turbulência. Mas, fornece resultados realistas com o ajuste de uma pequena quantidade de parâmetros. São incorporados os modelos de viscosidade/difusividade turbulenta para escoamento estratificado. Na aproximação das equações médias de Reynolds e transporte de escalar é utilizando o Método dos Elementos Finitos. Os termos convectivos são aproximados utilizando o método semi-Lagrangeano, e a aproximação espacial é baseada no método de Galerkin. Os resultados computacionais são comparados com os resultados disponíveis na literatura. E, finalmente, a simulação de escoamento em um braço de reservatório é apresentada.

Método de determinação do escoamento superficial de bacias hidrográficas a partir de levantamentos pedológicos.

2000

Análise de modelos de escoamento aplicados a águas superficiais e subterrâneas

Dissertação de mest., Recursos Hídricos, 2007, Faculdade de Engenharia de Recursos Naturais, Universidade do Algarve

Utilização de redes TIN em modelos distribuídos de precipitação/escoamento superficial

A comunicação apresenta as directivas de desenvolvimento de um modelo distribuído e a sua aplicação à Ribeira da Pradiela (distrito de Évora, afluente do Dejebe). A utilização de modelos distribuídos de precipitação/escoamento superficial para modelação integrada dos fenómenos hidrodinâmicos, transporte de sedimentos e qualidade da água à escala da bacia hidrográfica, é fundamental para uma correcta percepção dos binómios causas/efeitos e consequente gestão optimizada dos recursos hídricos. Os modelos distribuídos existentes assentam em malhas estruturadas de células regulares adjacentes (DEM) ou em malhas de triângulos irregulares adjacentes (TIN). Os primeiros têm um processamento relativamente simples e são compatíveis com a estrutura matricial de uma imagem raster, contudo obrigam a uma densidade de informação uniforme sobre a área em estudo, apresentam problemas de escala na representação das linhas de água e das variáveis distribuídas como a altitude, classes de solo, classes de uso do solo, dotações de rega, fertilizantes e pesticidas. As redes TIN são mais versáteis e no caso particular de os pontos levantados sobre o terreno formarem uma métrica regular, a rede TIN representa uma malha estruturada. Os modelos existentes que utilizam uma malha TIN definem a rede hidrográfica pelas arestas comuns dos triângulos que formam um ângulo côncavo entre si. Esta implementação pode forçar a existência de linhas de água onde não existem traços morfológicos da sua existência. A metodologia proposta para gerar as linhas de água passa por definir uma área de influência associada a cada nó (polígono de Voronoi) que drena por uma linha de água definida entre o próprio nó e o nó vizinho com o qual forma o maior declive. Esta metodologia é relativamente simples, não cria ambiguidades e permite criar uma rede hidrográfica cuja estrutura é perfeitamente compatível com a implementação de um algoritmo de diferenças finitas. As secções transversais das linhas de água são definidas como função da área a montante da respectiva secção. A precipitação efectiva é calculada à escala da bacia pelo método da curva número (CN) do Soil Conservation Service (SCS) e à escala de uma parcela pela equação de Richardson. O escoamento é resolvido pela equação da onda cinemática nas linhas de água de ordem superior, pela equação de conservação da massa nas depressões e pelas equações de Saint-Venant na linha de água principal. É considerado o destacamento nas encostas e o destacamento/ transporte/ deposição nas linhas de água. Também é considerado o transporte de poluentes adsorvidos aos sedimentos, bem como fenómenos de wash-off .

Um modelo distribuído de precipitação/escoamento superficial. Aplicação à Ribeira de Alportel em condições de cheia

Este artigo apresenta um modelo de precipitação/escoamento superficial que toma em consideração o fenómeno distribuído em toda a área da bacia. A metodologia é válida para todos os pontos da bacia, encosta ou linha de água, pelo que o modelo apresentado é uma ferramenta de análise adequada para a previsão das modificações induzidas na relação precipitação/escoamento superficial devido a modificações antrópicas ou não na bacia hidrográfica. Além disso, este modelo possibilita uma abordagem do controlo de cheias não só pela intervenção no leito como é usual, mas também pelo reordenamento da bacia, práticas de conservação do solo e alteração do seu uso. O modelo desenvolvido é aplicado à bacia hidrográfica da Ribeira de Alportel, exemplo que serve para aferir os dados por retro-análise, comparando os caudais obtidos pela simulação com os caudais medidos na estação hidrométrica de Bodega. Deste modo, é possível prever para possíveis cenários de alteração das condições da bacia hidrográfica qual a futura resposta da bacia hidrográfica a eventos pluviométricos.

Estudo hidráulico em modelo reduzido de descarregadores de cheias: utilização de conchas de rolo na dissipação de energia do escoamento

Dissertação para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil na Área de Especialização em Hidráulica

Estudo do escoamento dos produtos da combustão no interior de uma conduta de evacuação de turbinas a gás utilizadas para propulsão naval

Dissertação apresentada na Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica