Escoamento de líquido na esteira de uma bolha de

Taylor

EM974 – Métodos Computacionais em Engª Térmica e Ambiental

Prof. Dr. Eugênio Spanó Rosa

Gustavo Lourenço LopesLais Labs Assis

IntroduçãoPadrões de escoamento gás-líquido:

Classificação de Taitel et. al. (1980)

Bolhas (1)

Pistões (2)

Agitante (3)

Anular (4)(1) (2) (3) (4)

Introdução

Bolha de Taylor – escoamento pistonado (slug flow)

Motivação

Escoamento gás-líquido presente em diversos processos industriais:

Trocadores de calor

Caldeiras

Produção de petróleo

Processos químicos

ObjetivosTraçar linhas de corrente

Estabelecer regiões de recirculação

Determinar ponto de estagnação do escoamento

Obter gráficos da velocidade axial no centro e na parede

Traçar o gráfico de na parede do tubo ao longo de seu comprimento.

Traçar velocidades radiais para diferentes pontos do tubo

 

Teoria

Uf – velocidade do filme de líquido

Ut – velocidade da bolha

Razão entre área de gás (Ag) e área total (At) :

 

Modelo no PHOENICS

 Modelo de turbulência: KE Low- Reynolds

Diâmetro do tubo: 26mm

Velocidade da mistura: 3 m/s

Comprimento do tubo: 12 vezes o diâmetro

Malha: NX= 1; NY= 55; NZ= 124

Fluido de trabalho: água a 20ºC

Referencial móvel com velocidade Ut

INLET com velocidade relativa Ut+Uf

Condições de Contorno

Determinação da velocidade da bolha (Zukoski)

Determinação da velocidade do filme

Equação de Brotz:

 

 

Equação de balanço de massa:

Condições de Contorno

Processo iterativo para obter α e então Ut e Uf para D=26mm e J=3m/s

0.7 0.72 0.74 0.76 0.78 0.8 0.82 0.84 0.86 0.88 0.9

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

Eq. De Brotz

Eq. Balanço de massa

alfa

Uf

(m/s

)

alfa = 0,851

Ut = 3,77 m/s

Uf = 1,39 m/s

Simulação

Estratégia de convergência

1º - Simulação de regime transiente entre os instantes 0 e 0,005 s

2º - Simulação do regime permanente

Resultados e ConclusõesCampo de velocidades axial

Resultados e ConclusõesLinhas de corrente

Zoom na região de recirculação

Resultados e ConclusõesVelocidade axial no centro do tubo

Velocidade no final do tubo ainda não constante, mas tendendo a estabilizar-se

Região de estagnação em z=0,08404m

Resultados e ConclusõesVelocidade axial na parede

Velocidade tende para um valor constante na saída

Resultados e ConclusõesPerfis de velocidades axiais

000 001 001000

005

010

015

020

025

030

035

X/D=2X/D=3X/D=4X/D=5

Resultados e ConclusõesTensão de cisalhamento na parede do tubo

Final do tubo: τ/ρ = 0,024

Valor 14,3% superior ao analítico, que é de

τ/ρ= 0,021

Sugestões para trabalhos futuros

Manter o método de convergência: 1ª simulação em regime transiente

dos milésimos de segundo iniciais; 2ª simulação em regime

permanente

Refinar mais a malha

Utilizar comprimento de tubo maior, em busca da estabilização da velocidade axial no centro e τ/ρ mais próximo do analítico

REFERÊNCIAS

Trabalho de graduação II – G. A. Alves Fávaro; “Escoamento de líquido na Esteira de uma bolha de Taylor”;

T.S. Mayor, A.M.F.R. Pinto, J.B.L.M Campos; “Vertical slug flow in laminar regime in the liquid and turbulent regime in the bubble wake – Comparison with fully turbulent and fully laminar regimes”;

C. Aladjem Talvy, L. Shemer, D. Barnea; “On the interaction between two consecutive elongated bubbles in a vertical pipe”

Taha Taha, Z.F. Cui; “CFD modelling of slug flow in vertical tubes”

Site www.fem.unicamp.br/~phoenics

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