TWO-PHASE ANNULAR FLOW IN VERTICAL PIPES. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF Final_Report_MS_Thesis.pdf Download (5MB) | Preview

Arabic Abstract

يعتبر سريان الموائع ( السوائل والغازات) في الأنابيب الرأسية غاية في الأهمية نسبة لإرتباطة العميق بمختلف التطبيقات الصناعية كمحطات القدرة و المفاعلات النووية ومولدات الغاز والصناعات البترولية. أنماط السريان داخل الأنابيب تختلف بأختلاف زوايا ميلان الأنابيب التي تؤدي إلي تعقيد الحل التحليلي والعددي المطبق على كسور فراغ الغازي. من ضمن المشاكل المتعلقة بإنتاج الغاز ظهور دوامات دائرية صغيرة من الطور السائل تغطي الجدار الداخلي للأنبوب بالتزامن مع سريان الغاز بالسرعة القصوي في منتصف الأنبوب حاملا معه قطرات من السائل. في هذا النوع من السريان متعدد الأطوار, سريان الغاز مدفوع بواسطة فرق الضغظ بينما سريان السائل محكوم بتغير قوى القص المؤثرة على منطقة التداخل بين السائل والغاز. إنخفاض سرعة الغاز تؤدي إلي هبوط طبقة السائل إلي أسفل الأنبوب وينتج عنها مشكلة تراكم السائل. هذة الظاهرة تحدث في السريان متعدد الأطوار عندما تكون الطاقة المتطلبة لنقل الطور السائل غير كافية وتؤدي إلي تراكم السائل في قاع بئر الغاز, و تؤثر بشكل مباشر على بئر الغاز و قد تؤدي إلي وقف الإنتاج. في هذة الأطروحة, تم إستخدام ديناميكا الموائع الحسابية (CFD) للتنبؤ ببداية إرتداد طبقة السائل في الأنبوب الرأسي ذو القطر 76.2 ملم عن طريق الحل العددي ثنائي الأبعاد المتماثل حول المحور الرأسي للأنبوب بإستخدام برنامج (ANSYS Fluent). تم تصميم شبكة ومجال الحل بواسطة برنامج قامبيت. صممت شبكة الحل بالقرب من جدار الحل الأنبوب دقيقية جدا وتقل الدقة بإتجاه منتصف الأنبوب بمعدل 15% وبنسبة متزنة أقل من 4. ووجد الحل للمعادلات الحاكمة عن طريق نموزج حل هجين. النمازج الأخري التي تم إعتبارها في هذه الدراسة هي قوى السطح المستمر لأثار التوتر السطحي و معيار k – ε للسريان المضطرب مع تعديل الجدار لتخفيف أثار الإضطراب ونموزج HRIC لتعقب التداخل بين أطوار السريان ونموزج Schiller-Naumann لنمزجة الأعاقة. جميع معادلات حفظ وتحويل الطاقة فصلت بدقة بإستخدام طريقة الحجم المحدود وتم أعتبار تقارب الحل عندما تكون قيمة المتبقي أقل من 0.001 و إختلال توازن الكتلة أقل من 5%. تمت النمزجة بإستخدام الماء والهواء عند ضغط جوي يساوي واحد جو التي تسري داخل أنبوب بطول ثلاتة أمتار. تم حساب تغير الضغط والسرعة السطحية الحرجة للغاز. أظهرت النتائج تماثل كبير مع نتائج التجارب المعملية. وجد أن سرعة الغاز السطحي تنخفض مع إنخفاض سرعة دخول السائل للأنبوب. بالإضافة إلي ذلك, وجد أن قوى القص تتغير بقيمة عالية مع محيط الجدار الداخلي للأنبوب نسبة لوجود الطور السائل بشكل أكبر والذي ينخفض تدريجيا بإتجاه مركز الأنبوب. الإنزلاق بين أطوار المائع (السائل/ الغاز) يمكن تجاهله خاصة في مناطق الغاز الاساسية عند سريان الغاز بالسرعة العالية. المعلومات التفصيلية المتوفرة عن تكون الموجات الدوامية قليلة نسبة لإستخدام المجال الحسابي ثنائي الأبعاد, لذلك يوصى بإستخدام المجال الحسابي ثلاثي الأبعاد لتحسين الحل وتعميق فهم موجات الإضطراب المتكونة في مجال السريان.

English Abstract

Two-phase gas-liquid flow in vertical pipes has been one of the important research areas because of the related industrial applications in power plants, nuclear reactors, steam generators, gas well exploration and others. The variety of two-phase flow patterns in pipes of different inclinations makes it difficult for obtaining analytical or numerical solutions that are applicable to a wide range of gas void fractions (GVF). Among the problems usually encountered in gas production is the presence of a small percentage of liquid forming an annular flow pattern in which the liquid occupies the pipe wall region while the gas flows at higher speed in the pipe core region carrying some entrained liquid droplets. In this flow field, the gas phase is driven by the pressure gradient along the pipe while the liquid is driven by the shear force acting at the liquid-gas interface. When the gas velocity decreases, the liquid film will start falling down causing a problem known as "liquid loading". This is a two-phase phenomenon where, the energy needed to transport the liquid phase (entrained droplets and liquid film) out of the gas well is insufficient and as such causes the liquid to fall and accumulate at the bottom of the gas well. This problem, when allowed to prolong, might "kill" the gas well and cease production. This thesis aims at applying CFD techniques to predict the beginning of liquid film reversal in a vertical pipe of diameter 76.2 mm by performing a 2D axisymmetric numerical simulations using ANSYS Fluent® version 16.1 commercial software to predict the onset of film reversal so as to allow necessary measures be taken to mitigate the problem. The geometry and mesh were however developed in Gambit software. The mesh was made very fine at the liquid film region close to the pipe wall and coarser toward the pipe centre with a transition rate of 15% and an aspect ratio of less than 4. The governing equations were solved using the hybrid model (Eulerian Multi-Fluid VOF). Other models considered in the current study include: continuum surface force for the effects of surface tension, standard k - ε turbulence model with enhanced wall treatment for turbulence effects, modified HRIC scheme for tracking the interface between the phases and Schiller and Naumann's model for the drag modeling. All the transport and conservations equations were discretized accurately using the finite-volume method and solutions were considered to be converged when all the residuals were less than 0.001 with mass imbalances less than 5%. Simulations are made using air and water at 1 atm as the main working fluids in a 3-m long pipe. The pressure gradients and critical superficial gas velocities predicted by this model agreed well when compared with experimental results. The critical superficial gas velocities are found to decrease with the superficial liquid inlet velocity. In addition, the shear stress is found to fluctuate with high amplitudes in the vicinity of the pipe wall where the liquid phase dominates and gradually reduces towards the pipe centerline. Slip between the phases can be ignored in the gas core regions where high gas velocities exist. Detailed information regarding the formation of roller waves was, however, limited due to the adoption of the 2D computational domain. It is therefore recommended that a 3D domain be utilized to improve the visualization and understanding of the roll and disturbance wave formations in the flow domain.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Engineering Research Mechanical Petroleum
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Badr, H. M.
Committee Members:	Alsarkhi, A. M. H. and Ben-Mansour, R.
Depositing User:	ERNEST ADAZE (g201403340)
Date Deposited:	12 Feb 2018 07:53
Last Modified:	31 Dec 2020 09:11
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/140635