Numerical simulation of the capacitance sensor behavior for multiphase core-flow monitoring

Orientador: Luiz Felipe Mendes de MouraDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia MecanicaResumo: Os sistemas de transporte de óleos pesados, que adicionam um líquido de menor viscosidade como água, geram uma mistura que pode escoar em diferentes padrões. Um deles é o escoamento anular ou core-flow, onde a água escoa na região perimetral anular e o óleo na região central, permitindo uma diminuição da potencia utilizada no transporte convencional. Quando são injetados óleo e água torna-se necessário monitorar o comportamento deste processo. Uma solução do problema consiste em utilizar uma sonda não-intrusiva, que utiliza a modificação do campo elétrico devida à diferença entre as permissividades do óleo e da água num capacitor de placas côncavas colocado na superfície externa da tubulação, de maneira que a distribuição das fases modifica a capacitância. Existem diferentes geometrias para os eletrodos, formas de colocar-los na tubulação, separação entre eletrodos, entre outros parâmetros que podem modificar o comportamento do sensor. Testar as diferentes configurações de forma experimental pode resultar árduo. Aproveitando a natureza do fenômeno e as leis físicas que o governam, é possível utilizar ferramentas computacionais e, mediante técnicas numéricas, obter soluções que ajudem a agilizar o processo de desenvolvimento. Pode-se testar um volume razoável de configurações e obter um mapa do comportamento do sistema, para que na etapa de testes sejam somente utilizados os parâmetros que deram as melhores respostas. As simulações dependem da escolha de diferentes parâmetros e devem fornecer respostas não ambíguas, que possam ser lidas com um sistema eletrônico. Neste trabalho são levadas em conta diferentes situações presentes em escoamentos do tipo core-flow que afetam a medida feita pela sonda, como a variação do diâmetro do fluido que escoa na região central (neste caso é o óleo), a excentricidade que pode apresentar esta região, a mudança de permissividades devida às emulsificações ocasionadas na injeção do óleo na tubulação cheia de água e o efeito volumétrico do capacitor.Abstract: The heavy oil transport systems, that add a liquid of lower viscosity as water, generate a mixture which can flow with different patterns. One of them is the core-flow, where water flow in the annular region and the oil in the core, allowing a reduction in the power used in the conventional transport. When oil and water are injected it becomes necessary monitoring the behavior of the process. One solution for this problem consists in use a non-intrusive probe, which uses a modification of the electric field due to the difference between the oil and the water permittivities, inside a capacitor of concave plates placed in the external surface of the pipe, thus the distribution of the phases modifies the capacitance. There are different geometries for the electrodes, ways for placing them in the pipe, separation between electrodes, among other parameters, which can modify the sensors behavior. Taking advantage of the nature of the phenomenon and the physical laws that govern it, is possible to use computational tools and, by numerical techniques, to get solutions that help expediting the development process. It can be tested a reasonable volume of configurations and getting a map of the behavior of the system, so that in the stage of testing only will be used the parameters which provided the best answers. The simulations depend on the choice between different parameters and should not provide ambiguous answers, which can be read with an electronic system. In this work are taking into account different situations in draining of the core-flow kind that affect the measurement made by the probe, such as the variation of the diameter of the fluid that flows in the central region (in this case oil), the eccentricity that can show this region, the changes i the permittivity due to the emulsion produced in the oil injection in to the tubing full of water and the volumetric effect of the capacitor.MestradoTermica e FluidosMestre em Engenharia Mecânic