Experimental and numerical study of swirling flow

Orientadores: Antonio Carlos Bannwart, Marcelo Moreira GanzarolliTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica e Instituto de GeociênciasResumo: Escoamentos com giro são de ocorrência comum tanto na natureza quanto nos equipamentos de engenharia e são usualmente utilizados em motores de turbinas a gás, fornos, queimadores e ciclones. Ciclones se utilizam do escoamento com giro para, por exemplo, separar partículas sólidas de uma corrente de ar. Um processo de separação de óleo e água pode ser acelerado com a utilização de um ciclone. Separadores de óleo-água, gás-óleo e gás-óleo-água são necessários em processos industriais e são de fundamental importância na produção de petróleo, principalmente em campos marítimos. Um simples dispositivo de segregação de fase que tira vantagem da geometria do tubo na qual pode ser instalado diretamente é o hidrociclone axial. Uma condição de operação crítica pode ser imaginada quando o dispositivo recebe uma fase dispersa em uma fase contínua. O presente trabalho tem como objetivo melhor compreender o comportamento dos campos de escoamento e de pressão de um escoamento monofásico com giro em diferentes vazões de operação, compreendendo números de Reynolds entre 500 e 63000. Testes experimentais foram realizados utilizando um tubo de acrílico de 5cm de diâmetro e 3m de comprimento usando solução de água-glicerina, de viscosidade de 54mPa.s e densidade 1210kg/m3, e água na qual o giro foi criado por um gerador de giro de guias fixas. Um estudo numérico foi realizado para explorar parâmetros que caracterizam o escoamento com giro. Os resultados numéricos da queda de pressão foram comparados com os valores obtidos experimentalmente onde foi encontrada boa concordância entre os resultados, validando o modelo computacional. Observou-se que o fator de atrito para o escoamento com giro é de 450% a 1000% maior quando comparado ao escoamento sem giro. As componentes de velocidade tangencial e axial, o gradiente de pressão axial e o decaimento do número de giro também foram obtidos numericamente. Os resultados indicam que escoamento se comporta como um corpo rígido no centro do tubo e que a componente tangencial da velocidade perde intensidade à medida que a distância axial, a partir da entrada, aumenta. Os resultados mostraram ainda a ocorrência de um gradiente de pressão axial adverso no centro do tubo, surgindo uma região de fluxo reverso. Visualização do escoamento também foi realizada adicionando ar e partículas sólidas à montante do dispositivo gerador de giro. A aplicação do escoamento com giro na indústria do petróleo também é discutidaAbstract: Swirling flows are common occurrence in Nature and engineering equipment. They are frequently used in gas turbines, kilns, burners and cyclones. For instance, cyclonic devices take advantage of swirling flow for separating solid particles from a gaseous stream. Oil-water separation can be improved by using a cyclone. Oil-water, gas-oil and gas-oil-water separators are a fundamental requirement in many industrial process such as the offshore petroleum production. A simple phase-segregation device based on the generation of swirling flow which can be directly installed in a pipeline is the axial hydrocyclone. A critical operating condition can be imagined when this device receives a finely dispersed phase into a continuous phase. The present work is aimed at better understanding the flow and pressure fields of single-phase swirling flows at several different flow rates, encompassing Reynolds number based on the average axial velocity between 500 and 63,000. Single-phase flow experiments were performed in a 5cm i.d. 3m long acrylic pipe using a glycerin-water solution of 54mPa.s viscosity and 1210kg/m3 density, and water, in which the swirling flow was imposed by a vane-type swirl generator device with conic trailing edge. A numerical study of those flows was performed to explore the flow parameters that characterize the swirling flow. In order to validate the numerical model, the predict pressure drop results are compared to the experimental values and good agreement was found. It was observed that the friction factor in swirling flows increases by 450- 1000% in comparison with purely axial flow. The tangential and axial velocity components, the axial pressure gradient and the swirl intensity decay were analyzed numerically. Results indicated that the velocity field behaves as a forced vortex in the central region of the pipe and the tangential components decreases as the axial distance form inlet increases, an adverse pressure gradient region tends occur in the central region causing flow reversal. Visualization of swirling flow was achieved by adding air and solid particles upstream the swirl generator. Applications of swirling flow in petroleum production are discussedDoutoradoExplotaçãoDoutor em Ciências e Engenharia de Petróle