Escoamento de líquido na esteira de uma bolha de Taylor

1. EM974 – Métodos Computacionais em Engª Térmica e Ambiental Prof. Dr. Eugênio Spanó Rosa Escoamento de líquido na esteira de uma bolha de Taylor Gustavo Lourenço Lopes LaisLabs Assis

2. Introdução Padrões de escoamento gás-líquido: • Bolhas (1) • Pistões (2) • Agitante (3) • Anular (4) (1) (2) (3) (4) Classificação de Taitel et. al. (1980)

3. Introdução Bolha de Taylor – escoamento pistonado (slugflow)

4. Motivação • Escoamento gás-líquido presente em diversos processos industriais: • Trocadores de calor • Caldeiras • Produção de petróleo • Processos químicos

5. 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

6. Teoria • Uf – velocidade do filme de líquido • Ut – velocidade da bolha • Razão entre área de gás (Ag) e área total (At)­:

7. 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

8. Condições de Contorno • Determinação da velocidade da bolha (Zukoski) • Determinação da velocidade do filme • Equação de Brotz: • Equação de balanço de massa:

9. Condições de Contorno Processo iterativo para obter α e então Ut e Uf para D=26mm e J=3m/s • alfa = 0,851 • Ut = 3,77 m/s • Uf = 1,39 m/s

10. Simulação • Estratégia de convergência • 1º - Simulação de regime transiente entre os instantes 0 e 0,005 s • 2º - Simulação do regime permanente

11. Resultados e Conclusões Campo de velocidades axial

12. Resultados e Conclusões Linhas de corrente Zoom na região de recirculação

13. 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

14. Resultados e Conclusões Velocidade axial na parede • Velocidade tende para um valor constante na saída

15. Resultados e Conclusões Perfis de velocidades axiais

16. 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

17. 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

18. 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. AladjemTalvy, L. Shemer, D. Barnea; “On the interaction between two consecutive elongated bubbles in a vertical pipe” • TahaTaha, Z.F. Cui; “CFD modelling of slug flow in vertical tubes” • Site www.fem.unicamp.br/~phoenics

19. OBRIGADO! PERGUNTAS?