Numerical simulation of a separating gas-liquid flow regime in a balance piston

Abstract

Ved hjelp av CFD undersøker denne oppgaven et separerende gas-væske strømningsregime, tidligere oppdaget av OneSubsea. Strømningsregimet ble oppdaget av OneSubsea i en annulær 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 lignende fysiske fenomener og sammenligne disse med tidligere forskning. For å modelere flerfase effekter ble VOF modellen valgt på bakgrunn av at denne kan fange tydelige grenesnitt mellom fasene, noe som var ansett som viktig for å studere det oppdagede strømningsregimet. Det viste seg at denne modellen var en grov tilnærming av reelle strømngsforhold. Derfor kan resultatene i denne oppgaven bare brukes som et forslag til virkelige strømningsforhold.

Resultatene fra 2D-simuleringene viste til en endring i observert strømngsregime, som en funksjon 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 i væskens visksositet reduserer effekten av sentrifugalkreftene på gassfasen i strømningen, slik at gassen hovedsakelig strømmet i midten av BP. For lavere viskositet samlet gassfasen seg rundt den indre roterende sylinderen, slik at et tilnærmet separert strømningsregime ble observert. Motsatt var det observerte strømningsregimet for høyere viskositet, sammensatt av slug og churn regimet. Dette separerte strømningsregimet for lav væskeviskositet, med tilhørende økt GVF og massestrøm gjennom balansestempelet, kan kanskje være en årsak til det observerte hoppet i driftsforhold slik det var oppdaget av OneSubsea. Resultatene fra 3D-simuleringene viste seg å ikke være tilferstillende sammenlignet med resultatene fra 2D-modellen. Det ble konkludert at en fullverdig 3D simulering som utnytter VOF modellen er for ambisiøst for tidsrammen til denne oppgaven. Antall elementer som var brukt for å oppløse den radiale og aksiale retning i balansestempelet var for få, når simuleringen baserte seg på VOF modellen. Dette førte til at grensesnittet mellom væske og gass ikke var godt nok oppløst, slik at resulatene fra denne simuleringen ikke kunne sammenlignes med 2D resultatene. Likevel har 2D-simuleringene gitt en sannsynlig årsak til det spesielle strømningsregimet som OneSubsea har observert. Imidlertid er en mer fullstendig problembeskrivelse og flere simuleringer nødvendig for å kartlegge overgangen mellom de observerte strømningsregimene skikkelig.

In this thesis, a separating gas-liquid flow regime encountered by the OneSubsea team has been investigated using CFD. This flow regime was discovered in an annular seal as a part of a multiphase pump, specifically known as a Balance Piston. The phenomenon caused unpredictable jumps in operating conditions as well as vibrations on the pump shaft. Subsequently, this thesis aimed to characterize the flow regime, to gain knowledge about when and why it occurs. The CFD model was created and validated by investigating similar physical phenomenon and comparing these to previous research. The multiphase model was found to be a rough approximation of real flow conditions, and can thus only be used as a suggestion of real flow regimes.

The 2D simulations depicted a change in flow regime depending on liquid viscosity, with accompanying increase in GVF and mass flow rate through the balance piston, relative to a full homogeneous flow with the same liquid viscosity. The simulations suggests that an increase in liquid viscosity diminish the effect of the centrifugal forces on the gaseous phase. For lower viscosity, the gaseous phase engulfed the inner rotating cylinder, while for increased viscosity the gas remained mainly in the middle as a churn or slug flow regime. This separated flow regime for low liquid viscosity, which increased GVF and mass flow rate through the balance piston, might be a cause for the jump in operating conditions as discovered by the OneSubsea team. The 3D simulations did not produce satisfactory results compared to the 2D model, and was discerned to ambitious for the time 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 regime encountered by OneSubsea. However, a more complete problem description and more simulations are needed to fully establish the transition between the observed flow regimes.