Comparison of multiphase SPH and LBM approaches for the simulation of intermittent flows

Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) and Lattice Boltzmann Method (LBM) are increasingly popular and attractive methods that propose efficient multiphase formulations, each one with its own strengths and weaknesses. In this context, when it comes to study a given multi-fluid problem, it is helpful to rely on a quantitative comparison to decide which approach should be used and in which context. In particular, the simulation of intermittent two-phase flows in pipes such as slug flows is a complex problem involving moving and intersecting interfaces for which both SPH and LBM could be considered. It is a problem of interest in petroleum applications since the formation of slug flows that can occur in submarine pipelines connecting the wells to the production facility can cause undesired behaviors with hazardous consequences. In this work, we compare SPH and LBM multiphase formulations where surface tension effects are modeled respectively using the continuum surface force and the color gradient approaches on a collection of standard test cases, and on the simulation of intermittent flows in 2D. This paper aims to highlight the contributions and limitations of SPH and LBM when applied to these problems. First, we compare our implementations on static bubble problems with different density and viscosity ratios. Then, we focus on gravity driven simulations of slug flows in pipes for several Reynolds numbers. Finally, we conclude with simulations of slug flows with inlet/outlet boundary conditions. According to the results presented in this study, we confirm that the SPH approach is more robust and versatile whereas the LBM formulation is more accurate and faster

Comparative study of particle-based methods SPH and LBM for the simulation of multiphase slug flows in pipes

L’objectif de cette thèse est d’étudier les apports et les limitations de deux méthodes d’origine particulaire, SPH et LBM, dans le cadre de la simulation des écoulements à bouchons dans des conduites. Dans l’industrie pétrolière, ce type d’écoulement, que l’on retrouve par exemple dans les pipelines qui acheminent le pétrole et le gaz jusqu’aux raffineries, est connu pour endommager les installations et pour réduire l’efficacité du transport des fluides. Il est donc important de bien comprendre leur formation. Nous avons donc implémenté ces deux méthodes, ainsi que leurs variantes polyphasiques, et avons mené une campagne de validation et de comparaison afin de sélectionner la méthode la plus adéquate, pour poursuivre ensuite avec des simulations de cas plus appliqués et réalistes. Les contributions présentées se concentrent principalement sur trois axes. Tout d’abord, il a fallu construire les codes de calcul nécéssaires, les valider puis comparer des différentes formulations polyphasiques disponibles pour SPH et LBM. Ensuite, nous avons développé des conditions aux limites d’entrée/sortie adaptées au contexte polyphasique pour être en mesure d’injecter les fluides avec des vitesses imposées et de ler évacuer du domaine avec un pression donnée. Enfin, nous avons simulé différents cas d’écoulements à bouchons académiques avec SPH et LBM, puis sur des cas appliqués avec des géométries réalistes et des ratios de densité et de viscosité de type air/eau avec SPH seulement.The main objective of this thesis is to study the contributions and limitations of two particle- based methods, SPH and LBM, for the simulation of slug flows in pipes. In the petroleum industry, these flow regimes, found for example during the transportation of oil and gas from reservoirs to refinery facilities through pipelines, are highly undesirable because they are known to damage facilities and to reduce flow efficiency. Therefore, it is important to understand its formation. We have implemented both methods, as well as their multiphase variants, and have led a validation and comparison campaign in order to to select the most suited method and to continue with simulations of more applied and realistic cases. The main contributions of this work can summarized in 3 points. First, we had to write the necessary computation codes, validate them and compare the different multiphase formulations available for SPH and LBM. Then, we have developed inlet/outlet boundary conditions adapted to the multiphase context so that we are able to inject fluids with prescribed velocities and let them exit he domain with a given pressure. Finally, we have simulated different academic test cases of slug flows with SPH and LBM and then on applied cases with realistic geometries and air-water like density and viscosity ratios with SPH only

Etude comparative des méthodes d'origine particulaire SPH et LBM pour la simulation d'écoulements polyphasiques intermittents dans des conduites

The main objective of this thesis is to study the contributions and limitations of two particle- based methods, SPH and LBM, for the simulation of slug flows in pipes. In the petroleum industry, these flow regimes, found for example during the transportation of oil and gas from reservoirs to refinery facilities through pipelines, are highly undesirable because they are known to damage facilities and to reduce flow efficiency. Therefore, it is important to understand its formation. We have implemented both methods, as well as their multiphase variants, and have led a validation and comparison campaign in order to to select the most suited method and to continue with simulations of more applied and realistic cases. The main contributions of this work can summarized in 3 points. First, we had to write the necessary computation codes, validate them and compare the different multiphase formulations available for SPH and LBM. Then, we have developed inlet/outlet boundary conditions adapted to the multiphase context so that we are able to inject fluids with prescribed velocities and let them exit he domain with a given pressure. Finally, we have simulated different academic test cases of slug flows with SPH and LBM and then on applied cases with realistic geometries and air-water like density and viscosity ratios with SPH only.L’objectif de cette thèse est d’étudier les apports et les limitations de deux méthodes d’origine particulaire, SPH et LBM, dans le cadre de la simulation des écoulements à bouchons dans des conduites. Dans l’industrie pétrolière, ce type d’écoulement, que l’on retrouve par exemple dans les pipelines qui acheminent le pétrole et le gaz jusqu’aux raffineries, est connu pour endommager les installations et pour réduire l’efficacité du transport des fluides. Il est donc important de bien comprendre leur formation. Nous avons donc implémenté ces deux méthodes, ainsi que leurs variantes polyphasiques, et avons mené une campagne de validation et de comparaison afin de sélectionner la méthode la plus adéquate, pour poursuivre ensuite avec des simulations de cas plus appliqués et réalistes. Les contributions présentées se concentrent principalement sur trois axes. Tout d’abord, il a fallu construire les codes de calcul nécéssaires, les valider puis comparer des différentes formulations polyphasiques disponibles pour SPH et LBM. Ensuite, nous avons développé des conditions aux limites d’entrée/sortie adaptées au contexte polyphasique pour être en mesure d’injecter les fluides avec des vitesses imposées et de ler évacuer du domaine avec un pression donnée. Enfin, nous avons simulé différents cas d’écoulements à bouchons académiques avec SPH et LBM, puis sur des cas appliqués avec des géométries réalistes et des ratios de densité et de viscosité de type air/eau avec SPH seulement