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

Introdução

Padrões 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

Objetivos

Traçar 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 Conclusões

Velocidade 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 Conclusões

Velocidade axial na parede

Velocidade tende para um valor constante na saída

Resultados e Conclusões

Perfis de velocidades axiais

000 001 001000

005

010

015

020

025

030

035

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

Resultados e Conclusões

Tensão 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

OBRIGADO!

PERGUNTAS?