Influência da fração volumétrica crítica do gás e da função de suavização em simulações unidimensionais de escoamentos bifásicos com formação de golfadas

Abstract

Escoamentos multifásicos desempenham um papel central na análise e no desenvolvimento de sistemas de transporte de fluidos, e de modo especial quando associados à indústria de óleo e gás. Modelos unidimensionais têm sido amplamente adotados devido ao seu baixo custo computacional e à capacidade de representar, de forma eficiente, os principais fenômenos hidrodinâmicos relevantes à operação de dutos e sistemas de produção dada a ordem de grandeza das dimensões longitudinais perto da seção transversal dos dutos. O presente trabalho tem como objetivo avaliar a influência da fração volumétrica crítica de gás e da aplicação de uma função de suavização como técnicas necessárias para tratar questões relacionadas à estabilidade numérica em simulações unidimensionais de escoamentos multifásicos com formação de golfadas (slug flow). O estudo é conduzido a partir do Modelo de Dois Fluidos, com formulação baseada no Método dos Volumes Finitos e utiliza o acoplamento pressão–velocidade do tipo PRIME. São investigados diferentes valores de fração volumétrica crítica do gás, variando entre 0,5% e 2%, bem como a influência de uma função de suavização contínua, do tipo tangente hiperbólica, aplicada aos coeficientes da equação de conservação da quantidade de quantidade de movimento linear para a fase gasosa. As simulações transientes são avaliadas qualitativamente por meio da análise do sinal da fração volumétrica ao longo do domínio e do tempo de simulação, e quantitativamente por meio de duas métricas: a frequência de formação de golfadas e a razão adimensional entre o comprimento médio das golfada e o diâmetro do duto. Os resultados obtidos indicam que a escolha da fração volumétrica crítica do gás e do grau de suavização exerce papel fundamental não apenas na estabilidade numérica, mas também na variabilidade das soluções, influenciando diretamente a caracterização do regime de escoamento previsto pelo modelo.