Multiphase flow modeling with multiple interface scales with application to stratified flows through straight pipes and constrictions

Abstract

Em aplicações industriais, a modelagem de escoamentos multifásicos é fundamental para o controle e a otimização de processos. Escoamentos multifásicos apresentam um intervalo de escalas temporais e espaciais com múltiplos fenômenos, como transição de morfologias, transição de fases e turbulência. Para a modelagem de tais escoamentos, tipicamente, espera-se um conhecimento a priori da distribuição morfológica das fases para a correta modelagem. Entretanto, essa informação nem sempre é conhecida, o que exige que o modelo multifásico seja capaz de trabalhar com as múltiplas escalas de interface. Os modelos Euler-Euler são os que melhor se adaptam a esse cenário. Tais modelos foram desenvolvidos para escoamentos de bolhas dispersas e, mais recentemente, têm sido usados como modelos para modelagem de múltiplas escalas de interface. Entretanto, para tais escoamentos, é necessário modelar a transferência de quantidade de movimento interfacial nas grandes escalas de interface e ainda existem poucos modelos na literatura. Esta tese apresenta o estudo do escoamento multifásico gás-liquido, com foco na modelagem de escoamentos estratificados (interfaces de grande escala) com ondas usando a formulação Euler-Euler. Inicialmente, um estudo comparativo de modelos de transferência de momento interfacial para morfologias com grande escalas de interface foi conduzido, avaliando abordagens da literatura e propondo um novo modelo, o Modelo de Mistura Modificado (MMM). Durante a avaliação dos modelos existentes, observou-se que a fração volumétrica limite da fase impacta negativamente o crescimento de ondas, o que foi resolvido com a inclusão de um termo de estabilização difusiva na equação de conservação da quantidade de movimento. Os resultados demonstraram que os modelos convencionais falham em capturar corretamente a dinâmica dos escoamentos com ondas, enquanto o modelo MMM mostrou robustez e consistência com refino de malha, além de prever razoavelmente parâmetros como altura média da água, queda de pressão e características das ondas. A importância do amortecimento da turbulência na formação de ondas é mostrado, o qual permite maior desacoplamento entre fases e o crescimento das ondas. Finalmente, o modelo MMM foi aplicado ao escoamento através de um orifício, um problema caracterizado por transições morfológicas entre morfologias com diferente escalas de interface. O estudo comparou abordagens de modelo de dois-fluidos com e sem funções de mesclagem e um modelo de dois-fluidos com múltiplos campos. Os modelos demonstraram capacidade de predição da queda de pressão e das transições entre morfologias, apesar das limitações de cada uma das modelagens.

Abstract: In industrial applications, the modeling of multiphase flows is essential for process control and optimization. Multiphase flows exhibit a wide range of temporal and spatial scales, involving multiple phenomena such as morphology transitions, phase transitions, and turbulence. For the modeling of such flows, it is typically expected that the morphological distribution of the phases is known a priori to ensure accurate modeling. However, this information is not always available, requiring the multiphase model to be capable of handling multiple interface scales. Euler-Euler models are the most suitable for this scenario. These models were originally developed for dispersed bubble flows and have more recently been used for modeling multiple interface scales. However, for such flows, it is necessary to model interfacial momentum transfer at small and large interface scales, and there are still few models available for the last one in the literature. This thesis presents a study on gas-liquid multiphase flow, focusing on modeling stratified flows (large scale interfaces) with waves using the Euler-Euler formulation. Initially, a comparative study of interfacial momentum transfer models for morphologies with large scale interfaces was conducted, evaluating approaches from the literature and proposing a new model, the Modified Mixture Model (MMM). During the evaluation of existing models, it was observed that the limit volume fraction of the phase negatively affects wave growth, which was resolved by introducing a diffusive stabilization term in the momentum conservation equation. The results showed that conventional models fail to accurately capture the dynamics of flows with waves, while the MMM model demonstrated robustness and consistency with mesh refinement, in addition to reasonably predicting parameters such as mean water height, pressure drop, and wave characteristics. The importance of turbulence damping in wave formation was highlighted, as it allows for greater phase decoupling and wave growth. Finally, the MMM model was applied to flow through an orifice, a problem characterized by morphological transitions between different interface scales. The study compared two-fluid models with and without blending functions and a two-fluid model with multiple fields. The models demonstrated the ability to predict pressure drop and transitions between morphologies, despite the limitations of each modeling approach.