[pt] DESENVOLVIMENTO DE MODELOS DE VISCOSIDADE TURBULENTA PARA O MODELO DE DOIS-FLUIDOS 1D EM ESCOAMENTO ANULAR VERTICAL

[en] DEVELOPMENT OF TURBULENT VISCOSITY MODELS FOR THE 1D TWO-FLUID MODEL IN VERTICAL ANNULAR FLOW

[pt] MARKUS BALLHAUSEN ARRUDA

[pt] ESCOAMENTO ANULAR

[pt] VISCOSIDADE TURBULENTA

[pt] MODELO DE DOIS FLUIDOS 1D

[en] ANNULAR FLOW

[en] TURBULENT VISCOSITY

[en] 1D TWO-FLUID MODEL

[pt] Escoamentos multifásicos são frequentemente encontrados em diversas indústrias, como a de petróleo, nuclear e refrigeração, entre outras. Em simulações numéricas de escoamentos com mais de uma fase, um dos grandes desafios é o rastreamento das fases no domínio, que podem ser distribuídas em diferentes padrões dependendo das condições operacionais do escoamento, propriedades do fluido e geometria da tubulação. O foco deste estudo é no padrão anular vertical, o qual é caracterizado por um núcleo gasoso central escoando em alta velocidade, envolto por um fino filme de líquido. O Modelo de Dois Fluidos unidimensional é utilizado para prever o comportamento de escoamentos bifásicos, sendo obtido através da realização de médias nas seções transversais. Surge então a necessidade de definir relações de fechamentos para tornar o sistema bem-posto. O objetivo deste trabalho é analisar modelos de viscosidade turbulenta em escoamento anular vertical através do Modelo 1D de Dois Fluidos. Três modelos foram propostos para serem investigados. O primeiro se baseia no perfil logaritmo universal de parede, o segundo no perfil de velocidade proposto por Castello Branco (2022), e o Modelo III considera o comprimento característico como proporcional ao diâmetro do duto. Os dados obtidos foram comparados com a literatura e mostraram que a difusão adicional devido à turbulência é positiva para tornar o sistema bem-posto, e aumentar a adesão a dados experimentais referentes a espessura do filme e gradiente de pressão. Porém, a viscosidade turbulenta sozinha não é suficiente para estabilizar todas as combinações de velocidades superficiais, recomendando-se a inclusão de parâmetros de fluxo.

[en] Multiphase flows are frequently encountered in various industries, such as oil, nuclear, and refrigeration, among others. In numerical simulations of flows with more than one phase, one of the major challenges is tracking the phases in the domain, which can be distributed in different patterns depending on the operational conditions of the flow, fluid properties, and pipe geometry. The focus of this study is on the vertical annular pattern, which is characterized by a central gas core flowing at high velocity, surrounded by a thin liquid film. The One-Dimensional Two-Fluid Model is used to predict the behavior of two-phase flows and is obtained by averaging processes over the cross-sectional areas. This requires defining closure relationships to render the system well-posed. The objective of the present work is to analyze turbulent viscosity models in vertical annular flow using the 1D Two-Fluid Model. Three models have been proposed for investigation. The first is based on the universal logarithmic wall profile, the second on the velocity profile proposed by Castello Branco (2022), and the third model considers the characteristic length to be proportional to the pipe diameter. The obtained results were compared with the literature and showed that the additional diffusion due to turbulence is beneficial for rendering the system well-posed and improving agreement with experimental data regarding film thickness and pressure gradient. However, turbulent viscosity alone is not sufficient to stabilize all combinations of superficial velocities, recommending the inclusion of the momentum flux parameter.

ANGELA OURIVIO NIECKELE

RODRIGO LUIS FORMOSINHO CASTELLO BRANCO

2023-07-14

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https://doi.org/10.17771/PUCRio.acad.63234