Numerical simulation of a separating gas-liquid flow regime in a balance piston
Master thesis
Permanent lenke
https://hdl.handle.net/11250/2779605Utgivelsesdato
2020Metadata
Vis full innførselSamlinger
Beskrivelse
Full text not available
Sammendrag
Ved hjelp av CFD undersøker denne oppgaven et separerende gas-væske strømningsregime,tidligere oppdaget av OneSubsea. Strømningsregimet ble oppdaget av OneSubsea i enannulær tetning, som en del av en flerfasepumpe, nærmere bestemet et balansestempel.Fenomenet forårsaket uforutsigbare hopp i driftsforhold, samt vibrasjoner på pumpens aksling.På bakgrunn av denne oppdagelsen ble målet om å karakterisere strømningsregimet,og å få kunnskap om når og hvorfor det oppstår, satt som formålet med denne oppgaven.For undersøke dette ble en CFD model utviklet og validert ved å undersøke lignendefysiske fenomener og sammenligne disse med tidligere forskning. For å modelereflerfase effekter ble VOF modellen valgt på bakgrunn av at denne kan fange tydeligegrenesnitt mellom fasene, noe som var ansett som viktig for å studere det oppdagedestrømningsregimet. Det viste seg at denne modellen var en grov tilnærming av reellestrømngsforhold. Derfor kan resultatene i denne oppgaven bare brukes som et forslag tilvirkelige strømningsforhold.
Resultatene fra 2D-simuleringene viste til en endring i observert strømngsregime, som enfunksjon av væskens viskositet. Lav viskositet førte til et separart gas-væske strømningsregime.Denne endringen førte også til høyre GVF og massestrøm gjennom balansestempelet,ralativt til en full homogen strømning med lik viskositet. Det viste seg at økning ivæskens visksositet reduserer effekten av sentrifugalkreftene på gassfasen i strømningen,slik at gassen hovedsakelig strømmet i midten av BP. For lavere viskositet samlet gassfasenseg rundt den indre roterende sylinderen, slik at et tilnærmet separert strømningsregime bleobservert. Motsatt var det observerte strømningsregimet for høyere viskositet, sammensattav slug og churn regimet. Dette separerte strømningsregimet for lav væskeviskositet, medtilhørende økt GVF og massestrøm gjennom balansestempelet, kan kanskje være en årsaktil det observerte hoppet i driftsforhold slik det var oppdaget av OneSubsea.Resultatene fra 3D-simuleringene viste seg å ikke være tilferstillende sammenlignet medresultatene fra 2D-modellen. Det ble konkludert at en fullverdig 3D simulering som utnytterVOF modellen er for ambisiøst for tidsrammen til denne oppgaven. Antall elementersom var brukt for å oppløse den radiale og aksiale retning i balansestempelet var for få, nårsimuleringen baserte seg på VOF modellen. Dette førte til at grensesnittet mellom væskeog gass ikke var godt nok oppløst, slik at resulatene fra denne simuleringen ikke kunnesammenlignes med 2D resultatene. Likevel har 2D-simuleringene gitt en sannsynlig årsaktil det spesielle strømningsregimet som OneSubsea har observert. Imidlertid er en merfullstendig problembeskrivelse og flere simuleringer nødvendig for å kartlegge overgangenmellom de observerte strømningsregimene skikkelig. In this thesis, a separating gas-liquid flow regime encountered by the OneSubsea teamhas been investigated using CFD. This flow regime was discovered in an annular seal asa part of a multiphase pump, specifically known as a Balance Piston. The phenomenoncaused unpredictable jumps in operating conditions as well as vibrations on the pumpshaft. Subsequently, this thesis aimed to characterize the flow regime, to gain knowledgeabout when and why it occurs. The CFD model was created and validated by investigatingsimilar physical phenomenon and comparing these to previous research. The multiphasemodel was found to be a rough approximation of real flow conditions, and can thus onlybe used as a suggestion of real flow regimes.
The 2D simulations depicted a change in flow regime depending on liquid viscosity, withaccompanying increase in GVF and mass flow rate through the balance piston, relativeto a full homogeneous flow with the same liquid viscosity. The simulations suggests thatan increase in liquid viscosity diminish the effect of the centrifugal forces on the gaseousphase. For lower viscosity, the gaseous phase engulfed the inner rotating cylinder, whilefor increased viscosity the gas remained mainly in the middle as a churn or slug flowregime. This separated flow regime for low liquid viscosity, which increased GVF andmass flow rate through the balance piston, might be a cause for the jump in operatingconditions as discovered by the OneSubsea team. The 3D simulations did not producesatisfactory results compared to the 2D model, and was discerned to ambitious for thetime frame of this thesis using the VOF model. The grid size was not refined enough,and so the gas-liquid interface was to diffuse to properly investigate the separating effects.Nevertheless, the 2D simulations has provided a plausible cause for the special flow regimeencountered by OneSubsea. However, a more complete problem description and moresimulations are needed to fully establish the transition between the observed flow regimes.