Uma nova abordagem do método Level Set baseada em conhecimento a e priori da forma

The analysis of fluid behavior in multiphase flow is very relevant to guarantee system safety. The use of equipment to describe such behavior is subjected to factors such as the high level of investments and of specialized labor. The application of image processing techniques to flow analysis can be a good alternative, however, very little research has been developed. In this subject, this study aims at developing a new approach to image segmentation based on Level Set method that connects the active contours and prior knowledge. In order to do that, a model shape of the targeted object is trained and defined through a model of point distribution and later this model is inserted as one of the extension velocity functions for the curve evolution at zero level of level set method. The proposed approach creates a framework that consists in three terms of energy and an extension velocity function λLg(θ)+vAg(θ)+muP(0)+θf. The first three terms of the equation are the same ones introduced in (LI CHENYANG XU; FOX, 2005) and the last part of the equation θf is based on the representation of object shape proposed in this work. Two method variations are used: one restricted (Restrict Level Set - RLS) and the other with no restriction (Free Level Set - FLS). The first one is used in image segmentation that contains targets with little variation in shape and pose. The second will be used to correctly identify the shape of the bubbles in the liquid gas two phase flows. The efficiency and robustness of the approach RLS and FLS are presented in the images of the liquid gas two phase flows and in the image dataset HTZ (FERRARI et al., 2009). The results confirm the good performance of the proposed algorithm (RLS and FLS) and indicate that the approach may be used as an efficient method to validate and/or calibrate the various existing equipment used as meters for two phase flow properties, as well as in other image segmentation problems.

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

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

Análise e demonstração do comportamento do escoamento bifásico gás-sólido

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Sistema de controle de escoamento de gás natural em dutos de distribuição com detecção de vazamentos utilizando redes neurais

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Análise do escoamento turbulento por um queimador industrial a gás utilizando dinâmica dos fluidos computacional

Pós-graduação em Engenharia Mecânica - FEG

Estudo numérico de modelos de arrasto e do coeficiente de restituição no escoamento gás-sólido em leito fluidizado

Pós-graduação em Engenharia Mecânica - FEG

Estudo experimental do escoamento bifásico líquido gás em golfadas com leve mudança de direção

Gas-liquid two-phase flow is very common in industrial applications, especially in the oil and gas, chemical, and nuclear industries. As operating conditions change such as the flow rates of the phases, the pipe diameter and physical properties of the fluids, different configurations called flow patterns take place. In the case of oil production, the most frequent pattern found is slug flow, in which continuous liquid plugs (liquid slugs) and gas-dominated regions (elongated bubbles) alternate. Offshore scenarios where the pipe lies onto the seabed with slight changes of direction are extremely common. With those scenarios and issues in mind, this work presents an experimental study of two-phase gas-liquid slug flows in a duct with a slight change of direction, represented by a horizontal section followed by a downward sloping pipe stretch. The experiments were carried out at NUEM (Núcleo de Escoamentos Multifásicos UTFPR). The flow initiated and developed under controlled conditions and their characteristic parameters were measured with resistive sensors installed at four pipe sections. Two high-speed cameras were also used. With the measured results, it was evaluated the influence of a slight direction change on the slug flow structures and on the transition between slug flow and stratified flow in the downward section.

Modelo de escoamento multifásico para estudo da interação onda/sedimento

Modelos de escoamento multifásico são amplamente usados em diversas áreas de pesquisa ambiental, como leitos fluidizados, dispersão de gás em líquidos e vários outros processos que englobam mais de uma propriedade físico-química do meio. Dessa forma, um modelo multifásico foi desenvolvido e adaptado para o estudo do transporte de sedimentos de fundo devido à ação de ondas de gravidade. Neste trabalho, foi elaborado o acoplamento multifásico de um modelo euleriano não-linear de ondas do tipo Boussinesq, baseado na formulação numérica encontrada em Wei et al. (1995), com um modelo lagrangiano de partículas, fundamentado pelo princípio Newtoniano do movimento com o esquema de colisões do tipo esferas rígidas. O modelo de ondas foi testado quanto à sua fonte geradora, representada por uma função gaussiana, pá-pistão e pá-batedor, e quanto à sua interação com a profundidade, através da não-linearidade e de propriedades dispersivas. Nos testes realizados da fonte geradora, foi observado que a fonte gaussiana, conforme Wei et al. (1999), apresentou melhor consistência e estabilidade na geração das ondas, quando comparada à teoria linear para um kh   . A não-linearidade do modelo de ondas de 2ª ordem para a dispersão apresentou resultados satisfatórios quando confrontados com o experimento de ondas sobre um obstáculo trapezoidal, onde a deformação da onda sobre a estrutura submersa está em concordância com os dados experimentais encontrados na literatura. A partir daí, o modelo granular também foi testado em dois experimentos. O primeiro simula uma quebra de barragem em um tanque contendo água e o segundo, a quebra de barragem é simulada com um obstáculo rígido adicionado ao centro do tanque. Nesses experimentos, o algoritmo de colisão foi eficaz no tratamento da interação entre partícula-partícula e partícula-parede, permitindo a evidência de processos físicos que são complicados de serem simulados por modelos de malhas regulares. Para o acoplamento do modelo de ondas e de sedimentos, o algoritmo foi testado com base de dados da literatura quanto à morfologia do leito. Os resultados foram confrontados com dados analíticos e de modelos numéricos, e se mostraram satisfatórios com relação aos pontos de erosão, de sedimentação e na alteração da forma da barra arenosa

Estudo do efeito da adição de gás condensado sobre o ponto de fluidez e a viscosidade de petróleos pesados

Neste trabalho foi estudado o comportamento de quatro óleos pesados, com densidade API variando de 13,7 a 21,6, frente à adição de gás condensado, com o objetivo de se obter informações relevantes para o processo de escoamento destes óleos. Assim, foi analisado o comportamento da densidade à 20 °C, pontos de fluidez máximo e mínimo, e viscosidade dinâmica à 50 °C dos óleos contendo diferentes concentrações de gás condensado. Também foi analisado o efeito da variação da temperatura sobre a viscosidade dos óleos crus, e, adicionalmente, após o estudo do efeito do gás condensado sobre os óleos, foi avaliado o comportamento da viscosidade dinâmica dos mesmos com a adição de diferentes solventes orgânicos (querosene, aguarrás e tolueno). Os resultados obtidos indicaram que o gás condensado foi eficiente para a redução da densidade, dos pontos de fluidez máximo e mínimo e da viscosidade dos quatros óleos analisados. O óleo A apresentou uma taxa de decaimento da densidade mais baixa do que os outros óleos e foi o que apresentou o comportamento mais próximo de mistura ideal. A amostra de óleo mais pesada (óleo D) foi a que apresentou as maiores variações nos valores dos pontos de fluidez máximo e mínimo com a adição de condensado, chegando a reduzir um total de 19 °C no ponto de fluidez máximo e um total de 21 °C no ponto de fluidez mínimo com a adição de apenas 10,7% v/v de gás condensado. Nos resultados obtidos nas análises da viscosidade dinâmica observou-se que a grande maioria das misturas preparadas apresentou um comportamento de fluido newtoniano. Todas as amostras apresentaram uma notável diminuição da sua viscosidade, chegando a atingir valores percentuais de redução de viscosidade que variaram entre 75 e 91%, na concentração de 14% v/v de gás condensado. A partir desta concentração a viscosidade continua a decair, porém de forma mais atenuada, e o uso do condensado acima desta concentração pode significar gastos desnecessários com o solvente com a finalidade de se reduzir a viscosidade de óleos pesados. O óleo D foi o que apresentou os maiores percentuais de redução da viscosidade enquanto o óleo B foi o que apresentou os mais baixos valores. Comparando o gás condensado aos outros três solventes orgânicos testados, o condensado apresentou um comportamento bem semelhante ao tolueno quando analisadas as suas capacidades de redução da viscosidade dos óleos estudados.

Redes de distribuição de gás natural: projeto e desenvolvimento

Atualmente o gás natural é a principal fonte de energia utilizada pela maioria dos europeus nos setores doméstico, terciário e industrial. É considerado a alternativa energética do futuro e a mais ecologicamente correta de que podemos dispor, numa escala compatível com as elevadas necessidades energéticas da Humanidade a nível global. Aliado a estes factos, surgem cada vez mais regras de boa prática, normas e legislação, nomeadamente especificações técnicas de forma a regular o setor e dotar as entidades intervenientes na conceção e controlo de uma instalação de rede de gás, de um conhecimento mais detalhado e atualizado sobre esta matéria. Esta dissertação pretende assim contribuir para a melhoria e modernização do desempenho de todos os que exercem funções neste setor, com vista ao aperfeiçoamento da qualidade e utilidade dos seus serviços. Este trabalho reúne o conjunto de informação técnica presente na legislação e normas de forma a preencher a eventual falha do conhecimento neste ramo por parte destes profissionais dotando-os de um conhecimento mais aprofundado, de modo a que possam executar corretamente e de forma eficaz o seu trabalho. Por outro lado, esta dissertação tem como objetivo o projeto e desenvolvimento de uma rede de distribuição de gás natural aplicado a três redes concretas: rede de distribuição, edifício e moradia. A conceção do projeto de instalação de gás inicia-se com a recolha de informação, seguindo-se o desenvolvimento do estudo do traçado. Assim, estão reunidas as condições para dimensionar e providenciar a escolha de materiais mais adequados para a execução da obra. A metodologia de dimensionamento adotada teve por base a equação dos gases perfeitos e a fórmula de Renouard simplificada, encontrando-se implementada numa folha de cálculo. Esta ferramenta de cálculo aliada à metodologia permite realizar de forma expedita o correto dimensionamento de uma rede de gás, bem como apurar se a velocidade de escoamento se encontra em conformidade com o definido no projeto.

Simulação numérica da combustão turbulenta de gás natural em câmara cilíndrica

O presente trabalho apresenta uma modelagem detalhada de processos de combustao turbulentos para um jato concentrico de combustıvel e ar. A modelagem é fundamentada nas equacões de conservacão de massa, de quantidade de movimento, de energia e de espécies quımicas. A turbulencia é resolvida pela utilizacão do modelo k- padrão. Dois modelos de reacões quımicas são apresentados. O modelo SCRS – Simple Chemically-Reacting Systems, que assume taxas instantâneas de reacões quımicas. Também é abordado o modelo E-A – Eddy Breakup - Arrhenius, que assume taxas finitas de reacões quımicas. A radiacão térmica, fenômeno de grande importância devido as altas temperaturas alcancadas em processos de combustão,é modelada através do Método das Zonas. O modelo da soma ponderada de gases cinzas – WSGGM,é usado para determinar o espectro de emissão e absorcão dos gases no processo. Para a solucão destas equacões diferenciais, juntamente com os modelos de turbulência, de reaçõoes químicas e radiação térmica, faz-se o uso do Método dos Volumes Finitos. Para validar a modelagem apresentada resolve-se o processo de combustão em uma câmara cilíndrica. A câmara de combustão usada áa mesma abordada no First Workshop on Aerodynamics of Steady State Combustion Chambers and Furnaces, organizado pela ERCORTAC - European Research Community On Flow Turbulence And Combustion, em outubro de 1994, que apresenta dados experimentais de temperatura e concentração das espécies químicas para várias posições de interesse no interior da câmara. Utiliza-se o gás natural como combustível e o ar atmosférico como oxidante. O processo de combustão sem pré-mistura é resolvido para a condição de excesso de combustível de 5 % para ambos os modelos, onde o gás natural é injetado por um duto circular central, e o ar atmosférico por um orifício anular externo a esse duto, no mesmo plano Uma reação química não estagiada é assumida para o modelo SCRS. Para o modelo E-A duas situações são resolvidas: combustão não estagiada, com uma etapa global de reação química; e reação quımica estagiada, com duas etapas globais. Os resultados obtidos com o modelo SCRS para a distribuição de temperaturas, em termos de tendências gerais, são razoáveis. Já as concentrações de espécies químicas não apresentam dados satisfatórios para este modelo. Para o modelo E-A os resultados apresentam boa concordância com os dados experimentais, principalmente para a situação em que o processo de combustão é assumido em duas etapas globais. ´E analisado em detalhe o papel desempenhado pela transferencia de calor por radiacao, com meio participante. Para melhor verificar as trocas de calor, assume-se uma camara de combustao cilındrica com paredes d’agua. A injecao do combustıvel e do oxidante e feita atraves de um queimador central, semelhante ao usado para validar a modelagem, porem com dois orifıcios concentricos para injecao de combustıvel. Nesta situação o efeito do turbilhonamento (swril), assumido como 20 % da velocidade axial de entrada, sobre a injecao de ar e computado atraves da condicao contorno da equacao de conservacao da quantidade de movimento angular. Nesta fase apenas o modelo E-A, com duas etapas globais de reacoes quımicas, e considerado, ja que o mesmo apresenta os melhores resultados. O processo de combustao e simulado com e sem a presenca da radiacao termica. Verifica-se que a presenca da radiacao termica homogeneiza a temperatura dos gases no interior da camara. Com isso verifica-se tambem alterações nas taxas de reacoes quımicas, modificando a magnitude das fracoes das especies quımicas Quando a radiacao termica e considerada efeitos de extinção local da chama sao verificados nas regioes de temperaturas mais altas, diminuindo o consumo de oxigenio e aumentando a producao de monoxido de carbono, caracterizando assim uma combustao incompleta. Em algumas situacoes tem-se uma variacao de temperatura de ate 500 K, a montante da chama. A radiacao termica tambem aumenta a taxa de transferencia de calor dos gases quentes para as paredes da camara, e desta para o seu exterior. Com os resultados obtidos a partir desta modelagem e possıvel determinar o perfil da zona de combustao, a distribuicao de concentracoes de especies quımicas, o campo de velocidades e as taxas de transferencia de calor para as paredes da camara de combustao, total, por conveccao superficial e por radiacao. Estes resultados sao de extrema importancia para prever a performance de camaras de combustao, assim como auxiliar na sua otimizacao.

Simulação computacional do escoamento em bombas de cavidades progressivas

The use of Progressing Cavity Pumps (PCPs) in artificial lift applications in low deep wells is becoming more common in the oil industry, mainly, due to its ability to pump heavy oils, produce oil with large concentrations of sand, besides present high efficiency when compared to other artificial lift methods. Although this system has been widely used as an oil lift method, few investigations about its hydrodynamic behavior are presented, either experimental or numeric. Therefore, in order to increase the knowledge about the BCP operational behavior, this work presents a novel computational model for the 3-D transient flow in progressing cavity pumps, which includes the relative motion between rotor and stator, using an element based finite volume method. The model developed is able to accurately predict the volumetric efficiency and viscous looses as well as to provide detailed information of pressure and velocity fields inside the pump. In order to predict PCP performance for low viscosity fluids, advanced turbulence models were used to treat, accurately, the turbulent effects on the flow, which allowed for obtaining results consistent with experimental values encountered in literature. In addition to the 3D computational model, a simplified model was developed, based on mass balance within cavities and on simplification on the momentum equations for fully developed flow along the seal region between cavities. This simplified model, based on previous approaches encountered in literature, has the ability to predict flow rate for a given differential pressure, presenting exactness and low CPU requirements, becoming an engineering tool for quick calculations and providing adequate results, almost real-time time. The results presented in this work consider a rigid stator PCP and the models developed were validated against experimental results from open literature. The results for the 3-D model showed to be sensitive to the mesh size, such that a numerical mesh refinement study is also presented. Regarding to the simplified model, some improvements were introduced in the calculation of the friction factor, allowing the application fo the model for low viscosity fluids, which was unsuccessful in models using similar approaches, presented in previous works

Simulação do escoamento multifásico no interior de bombas de cavidades progressivas metálicas

The progressing cavity pumping (PCP) is one of the most applied oil lift methods nowadays in oil extraction due to its ability to pump heavy and high gas fraction flows. The computational modeling of PCPs appears as a tool to help experiments with the pump and therefore, obtain precisely the pump operational variables, contributing to pump s project and field operation otimization in the respectively situation. A computational model for multiphase flow inside a metallic stator PCP which consider the relative motion between rotor and stator was developed in the present work. In such model, the gas-liquid bubbly flow pattern was considered, which is a very common situation in practice. The Eulerian-Eulerian approach, considering the homogeneous and inhomogeneous models, was employed and gas was treated taking into account an ideal gas state. The effects of the different gas volume fractions in pump volumetric eficiency, pressure distribution, power, slippage flow rate and volumetric flow rate were analyzed. The results shown that the developed model is capable of reproducing pump dynamic behaviour under the multiphase flow conditions early performed in experimental works

Modelagem dinâmica do escoamento de um sistema de elevação por plunger lift

A critical problem in mature gas wells is the liquid loading. As the reservoir pressure decreases, gas superficial velocities decreases and the drag exerted on the liquid phase may become insufficient to bring all the liquid to the surface. Liquid starts to drain downward, flooding the well and increasing the backpressure which decreases the gas superficial velocity and so on. A popular method to remedy this problem is the Plunger Lift. This method consists of dropping the "plunger"to the bottom of the tubing well with the main production valve closed. When the plunger reaches the well bottom the production valve is opened and the plunger carry the liquid to the surface. However, models presented in literature for predicting the behavior in plunger lift are simplistic, in many cases static (not considering the transient effects). Therefore work presents the development and validation of a numerical algorithm to solve one-dimensional compressible in gas wells using the Finite Volume Method and PRIME techniques for treating coupling of pressure and velocity fields. The code will be then used to develop a dynamic model for the plunger lift which includes the transient compressible flow within the well