Análise numérica do fenômeno de transporte em torno do motor de bomba centrífuga submersa

dc.contributor.advisor1Martins, Marcio Ferreira
dc.contributor.advisor1IDhttps://orcid.org/000000023023222X
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/7325983059020104
dc.contributor.authorOliveira Filho, Pedro Américo Brandão de
dc.contributor.referee1Andrade, João Rodrigo
dc.contributor.referee2Martins, Ramon Silva
dc.date.accessioned2024-05-30T00:53:54Z
dc.date.available2024-05-30T00:53:54Z
dc.date.issued2022-08-11
dc.description.abstractElectrical Submersible Pumps (ESP) are mainly applied in lifting operations in deep water oil exploration. Due to its geometry, the elevated fluid itself cools the pump’s motor. Thus, a vertical annular flow is formed around the ESP motor. Since at different moments there is gas together with the elevated oil at various times, it is difficult to understand the thermofluidic phenomenon, as these equipment are installed on the seabed. It is widely known that the presence of gas causes undesirable phenomena for the pump, such as surging and gas lock. Gas can cause failure due to overheating (notably motor failure), causing huge losses to the industry. Given that this topic concerns a multiphase flow, the present work shows the mathematical demonstration for the two-fluid model, as well as analyses of the local conservation of thermal energy equations, for each two-phase pattern of interest. Other parameters of the existing transport phenomenon are introduced and analytically demonstrated. Such theories serve as a basis for understanding the numerical analyses performed using the Ansys Fluent. Two two phase simulations are executed with different liquid mass flow rates, having as their geometry the ESP motor prototype built at the Center for Studies in Oil and Gas Flow and Measurement (Nemog). This prototype is designed to obtain the highest possible dynamic similarity with the real prototype. For the numerical analysis, the Eulerian multiphase model is applied simultaneously with the Multi-Fluid VOF, in addition to other interfacial dynamics modeling. For the treatment of turbulence, the k − ω SST model is imposed for each phase. The simulations show the formation of the slug pattern and distortions that the presence of gas causes in the velocity of the liquid. Velocities up to 1.5 m/s are reached in the motor-shroud annular, causing high Reynolds numbers in different regions and showing that the treatment of the flow as turbulent is adequate. For a single-phase flow, the Nusselt number tends to a constant value of 2.70 regardless of the inlet flow rate. For a two-phase flow, this dimensionless is a function of the ratio between inflows and reaches approximately constant values in the region where both phases are present. Given the imposed boundary conditions, for the first simulation the Nusselt number tends to 43.1 while for the second simulation the value of 82.3 is obtained
dc.description.resumoBombas centrífugas submersas (BCS) são aplicadas principalmente na elevação de petróleo em águas profundas. Devido à sua geometria, o próprio fluido elevado realiza o resfriamento do motor do equipamento. Assim, forma-se um escoamento anular vertical em torno do motor da BCS. Uma vez que em diversos instantes há a presença de gás em conjunto com o petróleo elevado e, que essas bombas estão instaladas no leito marinho, há uma enorme dificuldade em conhecer o fenômeno termofluidico existente. É de amplo conhecimento que a presença de gás causa fenômenos indesejáveis para a bomba, tais como o surging e o gas lock. Especialmente para o motor, a presença de gás pode causar um sobreaquecimento ao ponto de ocasionar uma potencial falha, gerando enormes prejuízos para a indústria. Dado que o tema se trata de um escoamento multifásico, o presente trabalho expõe a demonstração matemática para o modelo de dois fluidos, assim como análises das equações locais de conservação de energia térmica para cada padrão bifásico de interesse. Outras demonstrações analíticas de parâmetros do fenômeno de transporte existente também são apresentadas. Tais teorias servem como base para o entendimento das análises numéricas realizadas a partir do software Ansys Fluent. Duas simulações bifásicas são executadas com distintas vazões mássicas de líquido, e possuem como geometria o protótipo do motor da BCS existente no Núcleo de Estudos em Escoamento e Medição de Óleo e Gás (Nemog) – concebido para obter a maior similaridade dinâmica possível com o protótipo real. São aplicadas para as análises numéricas o modelo multifásico Eulerian simultaneamente com o Multi-Fluid VOF, além das demais modelagens da dinâmica interfacial. Para o tratamento da turbulência, é imposto o modelo − SST para cada fase. As simulações mostram a formação do padrão bifásico slug e distorções que a presença de gás causa na velocidade da fase líquida. Velocidades de até 1,5 m/s são atingidas na região do anular motor shroud, ocasionando altos números de Reynolds em distintas regiões e expondo que o tratamento do escoamento como turbulento é adequado. Para um escoamento monofásico, o número de Nusselt tende ao valor constante de 2,70 independente da vazão de entrada. Para um escoamento bifásico, tal adimensional é função da relação entre vazões de entrada e atingem valores aproximadamente constantes na região em que ambas as fases se fazem presentes. Dadas as condições de contorno impostas, para a primeira simulação o número de Nusselt tende a 43,1 enquanto para a segunda simulação é atingido o valor de 82,3
dc.formatText
dc.identifier.urihttps://dspace5.ufes.br/handle/10/16160
dc.languagepor
dc.publisherUniversidade Federal do Espírito Santo
dc.publisher.countryBR
dc.publisher.courseMestrado em Engenharia Mecânica
dc.publisher.departmentCentro Tecnológico
dc.publisher.initialsUFES
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica
dc.rightsopen access
dc.subjectEscoamento anular vertical
dc.subjectModelo de dois fluidos
dc.subjectTransferência de calor
dc.subject.br-rjbnsubject.br-rjbn
dc.subject.cnpqEngenharia Mecânica
dc.titleAnálise numérica do fenômeno de transporte em torno do motor de bomba centrífuga submersa
dc.typemasterThesis

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