Computational simulation of transient gas-liquid systems using the drift-flux model
| Autor: | Christiano Garcia da Silva Santim |
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| Přispěvatelé: | Rosa, Eugênio Spanó, 1958, Castro, Marcelo Souza de, Wolf, William Roberto, Baliño, Jorge Luis, Barbosa Junior, Jader Riso, Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia Mecânica, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS |
| Rok vydání: | 2016 |
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| Zdroj: | Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP) Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP) instacron:UNICAMP |
| Popis: | Orientador: Eugênio Spanó Rosa Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Este trabalho propõe um solver de Riemann do tipo Roe aplicado à sistemas bifásicos gás-líquido em regime transitório empregando-se o modelo de mistura (drift-flux). Para tanto, iniciou-se o desenvolvimento deste a partir de um solver mais simples capaz de simular problemas de acústica. Num segundo estágio adaptou-se o solver para a resolução de três equações não lineares das leis de conservação em sistemas monofásicos utilizando-se gás ideal. Por fim o solver foi direcionado à resolução de sistemas gás-líquido, fazendo-se uso da linearização proposta por Roe (1981), assim como ocorrera na segunda etapa. Em todos os estágios validou-se o solver contra dados experimentais e/ou analíticos disponíveis na literatura, tais como problemas de tubo de choque e de escoamentos monofásicos e bifásicos no interior de dutos. Três principais contribuições foram apresentadas no que tange a sistemas bifásicos gás-líquido. A primeira consta da obtenção da matriz Jacobiana na sua forma exata de maneira analítica. Como os termos da matriz Jacobiana exata são bastante complexos, propôs-se uma simplificação baseada no fato de o quadrado da razão das velocidades do som nas fases gás e líquido ser muito menor que a unidade, sendo possível fornecer assim expressões algébricas mais simples para os autovalores da matriz Jacobiana. Tal hipótese simplificadora foi avaliada dentro de uma faixa de interesse prático. No processo de linearização propôs-se o uso de um vetor parâmetros de Roe ainda não testado com sucesso na literatura. Para os termos da matriz de Roe em que não foi possível uma integração totalmente analítica, aplicou-se uma quadratura gaussiana com três pontos. Diferentes esquemas de discretização foram testados na validação do solver. A priori, na etapa de validação do escoamento compressível de um gás ideal testou-se o esquema Upwind de primeira ordem, Lax-Wendroff de segunda ordem e os esquemas de alta resolução Lax-Wendroff juntamente do limitador de van Leer e Lax-Wendroff+SUPERBEE, dentre os quais, escolheu-se os esquemas de maior acurácia e que apresentaram menor custo computacional, para as simulações posteriores. Nestas, como resultados apresentou-se o comportamento transiente das variáveis de interesse em pontos específicos da tubulação. Em alguns casos o perfil destas ao longo do duto fora explorado, assim como as velocidades das ondas de pressão e de fração de vazio. Nas simulações computacionais abordou-se os padrões de escoamento de golfadas, estratificado liso/ondulado, agitado (churn), anular e de bolhas, empregando-se diferentes correlações de drift e relações de viscosidade de mistura, nos arranjos horizontal e vertical Abstract: The present thesis proposes a Roe-type Riemann solver applied to the transient gas-liquid two-phase systems employing the drift-flux model. For this, the development started from a simpler solver able to simulate acoustic problems. In a second stage the solver was adapted to solve three non-linear equations of the conservation laws in single-phase systems using an ideal gas. Finally, the proposed solver was directed to the resolution of gas-liquid flows, making use of the Roe (1981) linearization, as occurred on the second stage. At all steps the Riemann solver was validated against experimental data and/or analytical solutions avaliable in the literature, such as shock tube problems, single and two phase flow inside ducts. Three main contributions were presented regarding to the gas-liquid two-phase systems. First, the Jacobian matrix was obtained in its exact form fully analytical. As the exact Jacobian terms are extensive complex, we propose a simplification hypothesis based on the fact that the square of the ratio of the sound speeds in the gas and liquid phases is much lower than one, providing simpler algebraic expressions for the eigenvalues. The simplification hypothesis was evaluated within a range of practical interest. On the linearization process we propose a Roe parameter vector untested in the literature yet. Some terms of the Roe matrix were treated numerically using a Gauss-Legendre quadrature with three points. Different discretization schemes were tested to validate the transient solver. Initially, in the validation step of compressible flow of an ideal gas was tested the 1st order Upwind scheme, the 2nd order Lax-Wendroff, and the high resolution methods Lax-Wendroff+van Leer limiter and Lax-Wendroff+SUPERBEE limiter, among which were chosen in the further simulations the schemes that presented the highest accuracy and lower computational cost (CPU time). The results presented the transient behavior of some primitive variables of practical interest at specific points of the pipe. In some cases, the profiles were displayed along the duct for different times. The wave speeds of pressure and void fraction were also analyzed. In the computer simulations were addressed the slug, stratified smooth/wavy, churn, annular and bubbles flow patterns, by employing different drift correlations and mixture viscosity relations in horizontal and vertical arrangements Doutorado Térmica e Fluídos Doutor em Engenharia Mecânica Funcamp 4721 |
| Databáze: | OpenAIRE |
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