Simulação computacional do escoamento bifásico gás-líquido em padrão de bolhas ascendente através de um duto de seção variável: uma abordagem euleriana-lagrangiana

Abstract

Escoamentos multifásicos são encontrados na natureza e em diversos processos e aplicações de engenharia tais como reatores químicos, trocadores de calor, na produção e exploração de petróleo, entre outros. Dentre os diferentes regimes de escoamento encontrados nestes processos, destaca-se o escoamento bifásico em padrão de bolhas devido à sua grande ocorrência nestes sistemas. Modelos de Fluidodinâmica Computacional (CFD) tem se tornado uma ferramenta fundamental no estudo desses sistemas, permitindo uma inspeção mais detalhada dos mecanismos físicos e das estruturas que os governam. Embora seja possível encontrar vários trabalhos na literatura relacionados a simulações computacionais de escoamentos bifásicos em padrão de bolhas, poucos deles abordam situações mais complexas onde a mistura bifásica sofre acelerações significativas, como é o caso de dutos de seção variável, válvulas e constrições. Desta forma, o presente trabalho tem como objetivo principal a implementação e validação de um modelo numérico para o escoamento bifásico gás-líquido em padrão de bolhas ascendente através de um duto de seção variável usando uma abordagem Euleriana-Lagrangiana (EL) e o Modelo de Bolhas Discretas (DBM). Para isto, vários modelos de fechamento para as forças interfaciais foram avaliados em diferentes casos experimentais de dutos verticais de seção constante e variável. Concluiu-se que a formulação de Tomiyama do coeficiente de arrasto para um sistema totalmente contaminado apresentou o melhor desempenho quando comparado com resultados experimentais. Além disso, é proposta e implementada uma metodologia para o pós-processamento dos resultados, de forma a obter estatísticas da fase dispersa (Lagrangiana) em um referencial Euleriano, como campos de fração volumétrica e velocidades médias da fase gasosa.

Abstract: Multiphase flows can be found in nature and in various engineering processes and applications, such as chemical reactors, heat exchangers, and in oil production/exploration. Among the different flow regimes found in these processes, the two-phase bubbly flow stands out due to its high occurrence in these systems. Computational Fluid Dynamics (CFD) models have become a fundamental tool in studying these systems, allowing a more detailed inspection of their physical mechanisms and structures. Although it is possible to find several works in the literature related to computer simulations of two-phase bubbly flows, few of them address more complex situations where the two-phase mixture undergoes significant accelerations, as is the case of variable-section pipes, valves, and constrictions. Thus, the present work's main objective is to implement and validate a numerical model for the two-phase gas-liquid ascending bubbly flow through a variable-section duct using an Eulerian-Lagrangian (EL) approach and the Discrete Bubble Model (DBM). Several closure models for the interfacial forces were evaluated for different experiments on vertical ducts with constant and variable sections. It was concluded that Tomiyama's formulation for a fully contaminated system's drag coefficient presented the best performance compared with experimental results. Furthermore, a methodology is proposed and implemented to post-process the results and to obtain statistics of the dispersed phase (Lagrangian) in an Eulerian frame, such as volumetric fractions and average velocities fields of the gas phase.