Numerical simulation of vertical churn and annular flows - Savagnago, Vítor (2022)
Escoamentos gás-líquido podem ser encontrados em diversos processos industriais, como na indústria de óleo e gás, em reatores nucleares, trocadores de calor, entre outros. Esses escoamentos são divididos em padrões, de acordo com a estrutura da interface entre as fases. Parâmetros importantes desses escoamentos, como o gradiente de pressão e a fração de vazio, dependem do padrão de escoamento existente. Portanto, prever a ocorrência desses padrões e os parâmetros do escoamento em cada um deles é crucial em projetos industriais. Nesse trabalho são realizadas simulações numéricas de escoamentos nos padrões agitante e anular, e na transição entre eles. As simulações são realizadas no programa OpenFOAM®, utilizando uma metodologia híbrida que combina o método Euleriano de dois fluidos com o método de volume-of-fluid (VOF) para acompanhamento da interface. Analisa-se a capacidade do método de prever os parâmetros e características do escoamento. A influência do número de Courant, da geometria de entrada, e da modelagem da turbulência nos resultados é avaliada. Em geral, o método é capaz de capturar alguns fenômenos do escoamento nos padrões agitante e anular, como a interface ondulada e a formação de gotas. Entretanto, alguns fenômenos não-físicos são observados, como a pulverização do filme líquido. Além disso, a formação de gotas e filamentos é subestimada nas simulações, e a característica oscilatória de escoamentos no padrão agitante não é observada. A geometria de entrada utilizada influencia significativamente os resultados das simulações; uma representação correta da geometria desejada é crucial para a obtenção de bons resultados. É mostrado também que valores muito baixos para o número de Courant não são necessários, já que não fornecem necessariamente melhores resultados, apesar de requererem simulações muito mais demoradas. Quanto à turbulência, simulações considerando água como um fluido laminar e modelando o ar com o modelo ?? - ?? SST forneceram os melhores resultados dentre os modelos testados