Simulação numérica do escoamento líquido-gas em golfadas com transferência de calor em dutos horizontais

Abstract

Uno de los patrones más comunes del flujo bifásico líquido-gas es el flujo intermitente. Este tipo de flujo se caracteriza por tener dos estructuras: un pistón líquido aireado y una burbuja alargada. En el presente trabajo se usa un modelo lagrangeano de seguimiento de pistones basado en la forma integral de las ecuaciones de balance de masa, cantidad de movimiento y energía. Este modelo unidimensional permite monitorear la evolución de las fluctuaciones de velocidad, presión y temperatura a lo largo del espacio y del tiempo. La discretización de estas ecuaciones produce dos sistemas lineales: uno para presión-velocidad y otro para temperatura. La interacción entre los parámetros hidrodinámicos y térmicos se obtiene de la solución de este sistema. Se utilizan sondas eulerianas y lagrangeanas para monitorear las variables. Finalmente, se encuentra buena correlación entre los resultados del modelo propuesto y los datos experimentales obtenidos de la literatura.

Problemas de escoamento bifásico com transferência de calor são encontrados com frequência nas diversas áreas da engenharia. Nesse cenário, o presente trabalho propõe estudar a transferência de calor sem mudança de fase em um dos padrões de maior ocorrência no escoamento bifásico líquido-gás: o escoamento em golfadas. O escoamento em golfadas está caracterizado pela sucessão alternada de uma bolha alongada e um pistão líquido aerado. A abordagem será realizada através de um modelo de seguimento de pistões, que está caracterizado por utilizar a formulação integral das equações de balanço em regime transitório para um volume de controle móvel. O modelo unidimensional, lagrangeano permite observar a evolução dos parâmetros em cada bolha ao longo do tempo. Assim, é possível monitorar fenômenos como as flutuações de pressão e temperatura. As equações governantes serão encontradas através de balanços de massa, quantidade de movimento e energia, a fim de analisar o problema em termos de velocidade, pressão e temperatura. Como resultado, dois sistemas de equações lineares são obtidos: um sistema pressão-velocidade e um sistema de temperaturas, os quais interagem nos termos de compressibilidade do gás e nas propriedades dos fluidos, que variam com a temperatura. Assim, a solução dos dois sistemas permite avaliar a interação entre os parâmetros térmicos e hidrodinâmicos. As variáveis são monitoradas através de sondas eulerianas e lagrangeanas ao longo do duto. Finalmente, o modelo é validado com dados e correlações obtidos da literatura, mostrando uma boa concordância.