[논문 리뷰] Simulations of intermittent two-phase flows in pipes using smoothed particle hydrodynamics

Thomas Douillet-Grellier, Florian De Vuyst외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 04. 18.

Fluid Dynamics Simulations and Interactions참고 문헌 74인용 수 18

한 줄 요약

이 연구는 다상 유동의 경계 조건을 맞춤 설정한 다상 SPH 형식을 사용하여 파이프 내에서 간헐적인 두상 유동을 시뮬레이션하기 위해 스무딩 입자 유체역학(SPH)을 적용하는 것을 보여준다. Taitel-Duckler 유동 영역을 성공적으로 재현하고, 켈빈-헬름홀츠 불안정성에 의해 슬러그 형성이 포착되며, 고밀도 및 점도 비율(최대 약 427)을 모델링하여 SPH가 산업용 슬러그 유동 예측에 잠재력을 지닌다는 것을 확인한다.

ABSTRACT

Slug flows are a typical intermittent two-phase flow pattern that can occur in submarine pipelines connecting the wells to the production facility and that is known to cause undesired consequences. In this context, computational fluid dynamics appears to be the tool of choice to understand their formation. However, few direct numerical simulations of slug flows are available in the literature, especially using meshless methods which are known to be capable of handling complex problems involving interfaces. In this work, a 2D study of the instability processes leading to the formation of intermittent flows in pipes is conducted using an existing multiphase smoothed particle hydrodynamics formulation associated with inlet and outlet boundary conditions. This paper aims to demonstrate the applicability of smoothed particle hydrodynamics to a given set of close-to-industry cases. First, we check the ability of our implementation to reproduce flow regimes predicted by Taitel and Duckler's flow map. Then, we focus on the transition processes from one flow pattern to the other. Finally, we present the results obtained for more realistic cases with high density and viscosity ratios.

연구 동기 및 목표

• 스무딩 입자 유체역학(SPH)이 해저 석유 및 가스 파이프에서 흔히 발생하는 슬러그 유동을 포함한 파이프 내에서 간헐적인 두상 유동을 시뮬레이션하는 데의 능력을 평가하기 위해.
• 2차원 파이프 기하구조에서 다상 SPH에 적합한 입구 및 출구 경계 조건을 구현하고 검증하기 위해.
• Taitel-Duckler 유동도에서 예측한 유동 영역을 재현하고, 유동 패턴 간의 전이 동역학을 분석하기 위해.
• 실제 산업 조건을 반영하는 고밀도 및 고점도 비율 시나리오에서 SPH의 성능을 평가하기 위해.
• SPH가 산업적 두상 유동에서 복잡한 계면 동역학을 모델링하기 위한 메쉬리스 대안으로의 가능성을 입증하기 위해.

제안 방법

• 이전 문헌에서 확보한 다상 SPH 형식을 채택하였으며, 연속 표면력 모형을 통한 표면장력 모델링을 포함하였다.
• 다상 유동에 적합한 입구 및 출구 경계 조건을 구현하여 경계에서 질량 및 운동량 보존을 확보하였다.
• 약간 압축 가능한 SPH 접근법을 사용하였으며, 안정성을 확보하기 위해 삼각형 스퍼링 커널과 인공 점성도 도입하였다.
• 유체역학적 및 지형 유도 슬러깅 메커니즘을 포괄하기 위해 수평 및 기울인 파이프 기하구조를 시뮬레이션하였다.
• 슬러그 주파수를 추출하고 주기성을 평가하기 위해 출구 부피 분율 시간 시리즈에 푸리에 분석을 적용하였다.
• 결과를 Taitel-Duckler 유동도 예측과 비교하여 검증하고, 유동 영역 간의 전이 동역학을 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2차원 파이프 설정에서 Taitel-Duckler 유동도가 예측한 네 가지 주요 유동 영역(미스트, 산산화, 간헐성, 분리)을 SPH가 정확하게 재현할 수 있는가?
• RQ2 SPH 시뮬레이션에서 다양한 유동 조건 하에서 유동 패턴 간에 전이가 어떻게 일어나는가(예: 분리에서 간헐성으로)?
• RQ3 SPH는 석유-가스 시스템에서 흔한 고밀도 및 고점도 비율(최대 약 427 및 약 32)을 어느 정도까지 처리할 수 있는가?
• RQ4 유체역학적 슬러깅 시나리오에서 SPH는 켈빈-헬름홀츠 불안정성에 의해 슬러그 형성의 시작과 진화를 포착할 수 있는가?
• RQ5 출구 부피 분율의 시간 시리즈 분석을 통해 유도된 리저(상승관 유사 기하구조)에서 슬러그 이동의 주요 주파수는 무엇인가?

주요 결과

• SPH는 2차원 파이프 시뮬레이션에서 Taitel-Duckler 유동도가 예측한 네 가지 유동 영역(미스트, 산산화, 간헐성, 분리)을 모두 성공적으로 재현하였다.
• 슬러그 형성이 t = 0.026 s에 파이프 상단에 파도의 정점이 도달함으로써 켈빈-헬름홀츠 불안정성에 의해 유도되어 시작됨을 관측하였다.
• 지형 슬러깅 케이스에서는 출구에서 가스 상 부피 분율에 강한 진동이 관측되었으며, 주요 주파수는 약 226 Hz였다.
• 출구 가스 상 부피 분율의 푸리에 변환은 주기적인 슬러그 행동을 확인하여 안정적인 슬러그 전파의 존재를 뒷받침하였다.
• SPH 시뮬레이션은 슬러그의 길이 감소 및 높이 증가를 포함한 동적 진화를 포착하였으며, 결국 파이프 전체 높이를 점령하였다.
• 이 방법은 고밀도 및 고점도 비율(최대 약 427 및 약 32)을 다루는 데 있어 강건성을 보였으며, 실제 산업 조건에의 적용 가능성을 시사하였다.