Orientador: Dirceu Noriler

Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química

Resumo: O controle da vazão de fluidos em dutos é de extrema importância para se manter a eficiência e a produtividade das plantas industriais. Os instrumentos mais comuns utilizados para esse fim são os medidores de orifício, devido à sua robustez e construção mecânica simples. Apesar de sua...

Resumo: O controle da vazão de fluidos em dutos é de extrema importância para se manter a eficiência e a produtividade das plantas industriais. Os instrumentos mais comuns utilizados para esse fim são os medidores de orifício, devido à sua robustez e construção mecânica simples. Apesar de sua simples construção e operação, o comportamento fluidodinâmico nesses dispositivos, principalmente para fluidos multifásicos, é complexo e apresenta alta queda de pressão a qual pode ocasionar vibrações nos equipamentos e até mesmo rupturas nos dutos. As placas de orifício apresentam um coeficiente de descarga (????????) que representa a variação do fluxo teórico para o fluxo real, determinado experimentalmente em laboratório sob condições controladas. Embora eficiente, as técnicas experimentais demandam tempo, atualmente escasso, e alto custo, que por vezes pode inviabilizar a análise destes dispositivos, principalmente em condições severas de operação. Por outro lado, a técnica de fluidodinâmica computacional (CFD), aliada aos estudos experimentais tradicionalmente conduzidos, apresenta-se como uma alternativa viável para compreensão e otimização dos parâmetros operacionais de tais mecanismos. Assim, um modelo fluidodinâmico baseado nas ferramentas de CFD pode contribuir muito com o tempo e custo dos experimentos de determinação da queda de pressão e do coeficiente de descarga desses dispositivos. Há na literatura diversos trabalhos em CFD sobre o comportamento de fluidos monofásicos através de placas de orifício, no entanto, poucos estudos relatam o comportamento de fluidos do tipo gás-líquido através desses dispositivos, não havendo um modelo consolidado. O principal objetivo deste trabalho é sistematizar uma metodologia de simulação em CFD capaz de predizer as características do escoamento monofásico e do escoamento bifásico tipo gás-líquido através de placas de orifício, validando-a por meio da comparação com dados experimentais. Para isso, foi realizado um estudo numérico para simular o escoamento monofásico e bifásico tipo gás-líquido através de placas de orifício para estimar a queda de pressão ocasionada por esses dispositivos, comparando os resultados com dados experimentais dos trabalhos de Eiamsa-ard et al. (2008) e Ojeda (2019). Foi realizado um estudo comparativo entre modelos de turbulência para o escoamento monofásico, e foi utilizada uma geometria simplificada, chamada pseudobidimensional (2,5D), e o modelo Volume of Fluid (VOF) para o escoamento bifásico. Os resultados das simulações monofásicas apresentaram boa concordância com os dados experimentais. Observou-se que os modelos de turbulência que apresentaram melhores resultados foi o k-???? para o escoamento monofásico de ar e de água, e o modelo Spalart-Allmaras para o escoamento de óleo mineral, e a determinação do coeficiente de descarga das placas de orifício utilizando a metodologia em CFD mostrou-se mais aderente aos dados experimentais do que as correlações existentes na literatura. Para o escoamento bifásico, houve boa concordância entre os dados numéricos e experimentais para o padrão bolhas alongadas em relação à queda de pressão média ocasionada pela placa de orifício, porém a metodologia empregada necessita de ajustes para representar os padrões de escoamento anular e slug através desses dispositivos

Abstract: Controlling the fluid flow in pipelines is extremely important to maintain the efficiency and productivity of industrial plants. The most common instruments used for this purpose are orifice plates, due to their robustness and simple mechanical construction. Despite their simple...

Abstract: Controlling the fluid flow in pipelines is extremely important to maintain the efficiency and productivity of industrial plants. The most common instruments used for this purpose are orifice plates, due to their robustness and simple mechanical construction. Despite their simple construction and operation, the fluid dynamic behavior of these devices, especially for multiphase fluids, is complex and has a high pressure drop which can cause vibrations in the equipment and even ruptures in the pipelines. The orifice plates have a discharge coefficient (????????) that represents the variation from the theoretical flux to the real flux, these coefficients are empirical and determined experimentally in laboratory under controlled conditions. The Computational Fluid Dynamics (CFD) technique, combined with experimental studies traditionally conducted, is a viable alternative for understanding and optimizing the operating parameters of such mechanisms. Thus, a fluid dynamic model based on CFD tools can greatly contribute to the time and cost of experiments to determine the pressure drop and discharge coefficients of these devices. There are several works in the literature on CFD about the behavior of single-phase fluids through orifice plates, however, few studies report the behavior of gas-liquid flow through these devices, with no consolidated model. The main objective of this work is to systematize a CFD simulation methodology capable of predicting the characteristics of one-phase flow and two-phase gas-liquid flow through orifice plates, validating it through comparison with experimental data. For this, a numerical study was carried out to simulate the singlephase and two-phase gas-liquid flow through orifice plates to estimate the pressure drop caused by these devices, comparing the results with experimental data from the works of Eiamsa-ard et al. (2008) and Ojeda (2019). A comparative study between turbulence models for the single-phase flow was carried out, and a simplified geometry, called pseudo two-dimensional (2.5D), and the Volume of Fluid (VOF) model for the two-phase flow was used. The results for the single-phase simulations showed good agreement with the experimental data. It was observed that the turbulence models that presented the best results were the k-???? for the single-phase air and water flow, and the Spalart-Allmaras model for the mineral oil flow, and the determination of the discharge coefficient of the orifice plates using the CFD methodology was more adherent to the experimental data than the correlations in literature. For two-phase flow, there was good agreement between numerical and experimental data for the elongated bubble pattern in relation to the mean pressure drop caused by the orifice plate, but the methodology used requires adjustments to represent the annular and slug flow patterns through these devices

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