Análise numérica da dinâmica de uma bolha isolada de gás no rotor de uma bomba centrífuga

• Main Author: Jiménez, Felipe Carlos Ancajima
• Other Authors: Morales, Rigoberto Eleazar Melgarejo
• Language: Portuguese
• Published: Universidade Tecnológica Federal do Paraná 2017
• Subjects: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::FENOMENOS DE TRANSPORTE::MECANICA DOS FLUIDOS; Bombas centrífugas; Escoamento bifásico; Fluidodinâmica computacional; Engenharia mecânica; Centrifugal pumps; Two-phase flow; Computational fluid dynamics; Mechanical engineering; Engenharia Mecânica
• Online Access: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/2531

Bombas centrífugas são amplamente utilizadas na indústria do petróleo na técnica de elevação artificial de bombeio centrífugo submerso. O gás existente em alguns reservatórios de petróleo pode causar a degradação da altura de elevação destas bombas. A deterioração do desempenho indica uma menor capacidade para aumentar a pressão, o que reduz a taxa de produção do poço de petróleo e resulta em perdas econômicas. No entanto, a compreensão do comportamento da mistura de gás-líquido em bombas centrífugas é uma tarefa complicada que é praticamente inexplorada por métodos numéricos na literatura. Nesse sentido, este trabalho propõe um estudo numérico da dinâmica de uma bolha de gás no interior do primeiro estágio do rotor de uma bomba centrífuga radial. Para essa finalidade, uma abordagem de seguimento de partículas é empregada através de um programa de CFD comercial. O estudo tem por objetivo analisar a influência da força de arrasto, da força devido ao gradiente de pressão e da força de massa virtual atuando numa bolha que flui através do líquido no canal do rotor. Os resultados numéricos foram comparados com dados experimentais da literatura obtidos para o escoamento de água e ar, no mesmo modelo de bomba. A análise numérica mostrou uma maior influência das forças de arrasto e pressão nas trajetórias das bolhas isoladas. Variações da velocidade de rotação, vazão do líquido, diâmetro e posição da bolha mostraram a influência que essas variáveis causam na trajetória da bolha, favorecendo ou desfavorecendo sua saída do rotor. Além disso, o modelo numérico de CFD se mostrou ser uma ferramenta útil para analisar o movimento da bolha, o que muitas vezes é complicado de alcançar por métodos experimentais. Por fim, as informações extraídas são relevantes para o entendimento da física do problema que esta trás do fenômeno de surging, associado com a degradação do desempenho das bombas centrífugas. === Centrifugal pumps are widely used in the oil industry as the main component of the technique known as artificial lift by electric submersible pumping systems. The performance of those pumps as for their lifting capacity may however degrade due to the presence of reservoir gas. This performance degradation reduces a pump’s ability to increase the pressure levels, thus reducing a well’s production rate and therefore incurring economical losses. Yet, understanding the behaviour of the gas-liquid mixture inside a electric submersible pump is a rather complex task which is largely unexplored in the literature, as the scarcity of numerical methods aimed at modelling this behaviour attests. Therefore, the present work proposes a numerical study on the dynamics of a solitary bubble inside the rotor of the first stage of a radial electric centrifugal pump. A particle-tracking approach to accomplish that goal is used, by means of a commercial CFD package. This study aims at analysing the influence of the drag force, and the force due to the pressure gradient and the virtual mass force acting on a bubble flowing through the liquid in the rotating impeller channel. The results were compared to experimental data from the literature obtained for air-water flows through the same pump model. The numerical analysis showed the dominance of the drag and pressure forces on the trajectory of the solitary bubbles. Changes in radial speed, liquid flow rate, bubble diameter and position demonstrated the role those variables play on the bubble trajectory, favouring or disfavouring its exit from the rotor. Also, the numerical CFD model proved to be an useful tool to analysing the bubble movement, which is often difficult to obtain by means of experimental techniques. Finally, the gathered information are relevant to the understanding of the physics underlying the surging phenomenon associated with the degradation of the performance of centrifugal pumps.