Simulação computacional da interação fluido-estrutura em bombas de cavidades progressivas

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DATA DE PUBLICAÇÃO

2010

RESUMO

O sistema de bombeamento por cavidades progressivas está sendo cada vez mais empregado na indústria do petróleo, devido à sua capacidade de elevação de óleos altamente viscosos ou de fluidos com grandes concentrações de areia ou outras partículas sólidas. Uma Bomba de Cavidades Progressivas (BCP) é composta, basicamente, por um rotor - uma peça metálica de forma semelhante a um parafuso excêntrico, e um estator - um tubo de aço revestido internamente por uma hélice dupla, a qual pode ser rígida ou deformável/elastomérica. Em geral, uma BCP é submetida a uma combinação de pressão do poço com pressão gerada pelo próprio processo de bombeio. Em BCPs elastoméricas, essa combinação de esforços comprime o estator, gerando ou aumentando a folga existente entre o rotor e o estator, reduzindo, portanto, o efeito de vedação entre suas cavidades. Tal abertura da região de selagem produz o que é conhecido como escorregamento do fluido, diminuindo, com isso, a eficiência de sistema de bombeio por BCP. Dessa maneira, este trabalho se propõe a desenvolver um modelo computacional tridimensional transiente do processo dinâmico da interação fluido-estrutural (FSI) que ocorre no interior de BCPs metálicas e elastoméricas. O objetivo principal é avaliar, a partir do uso do modelo desenvolvido, as características dinâmicas de eficiência de bombeio por BCPs, em função de informações locais e instantâneas detalhadas dos campos de velocidade, pressão e deformação no seu interior. Para o alcance de tais metas (desenvolvimento e uso do modelo), fez-se necessário o desenvolvimento de uma metodologia própria para geração de malhas computacionais dinâmicas, móveis e deformáveis, representando as regiões fluida e estrutural de uma BCP. Tal procedimento caracterizou-se como o maior desafio para a elaboração do modelo computacional, devido à cinemática complexa e à geometria crítica desse tipo de bomba (ângulos de hélice diferentes entre rotor e estator e grandes diferenças de escala de comprimento). Os processos de geração dinâmica das malhas e de avaliação simultânea das deformações sofridas pelo elastômero são realizados através de sub-rotinas em linguagem Fortran 90, as quais interagem dinamicamente com o software de dinâmica dos fluidos computacional CFX/ANSYS. Desde que o modelo linear elástico é empregado para avaliar as deformações elastoméricas, não é necessário usar nenhum software para análise estrutural. Entretanto, uma proposta inicial para simulação dinâmica no ANSYS empregando-se modelos constitutivos hiper-elásticos para o elastômero é também apresentada no presente trabalho. A validação dos resultados produzidos com a presente metodologia (geração de malha, simulação do escoamento em BCPs metálicas e simulação da interação fluido-estrutural em BCPs elastoméricas) é obtida através da comparação com resultados experimentais reportados pela literatura. Vislumbra-se que o desenvolvimento e aplicação de tal ferramenta computacional poderão fornecer maiores detalhes da dinâmica do escoamento no interior de BCPs metálicas e elastoméricas, de maneira que melhores sistemas de controle possam ser implementados na área de elevação artificial por BCPs

ASSUNTO(S)

geração de malha simulação computacional 3d-t bombas de cavidades progressivas (bcp) interação fluido-estrutura (fsi) engenharia mecanica mesh generation 3d-t computational simulation progressing cavity pumps (pcps) fluid-structure interaction (fsi)

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