Mehrphasenströmungen treten in praktisch allen Bereichen der Erdölindustrie auf, wobei sogenannte 'Slug Flow Phänomene' besonders kritisch sein können. In der vorliegenden Arbeit wird die Strömungsdynamik von Gas/Flüssig Slug Flows in horizontalen und geneigten Pipelines detailliert untersucht. Dabei wird mit Hilfe moderner Computational Fluid Dynamics (CFD) Werkzeuge und dem Volume-of-Fluid (VoF) Modell die Vorhersage, das Monitoring und die Visualisierung dieses Flow Regimes detailliert berechnet. Der erste Teil der Arbeit beinhaltet eine Darstellung aller möglichen Flow Regime und deren charakteristischen Eigenschaften in Pipelines von geringem Durchmesser. In diesem Zusammenhang wurde eine Vielzahl von Simulationsrechnungen in horizontalen und geneigten Gas/Flüssigkeitspipelines durchgeführt. Darüber hinaus wurde soweit als möglich versucht, die Ergebnisse anhand von experimentellen Daten, die der Literatur entnommen wurden, zu verifizieren. Eine neue Korrelation zwischen 'Superficial Liquid Velocity' und 'Liquid Hold Up' zur Charakterisierung von Slug Flow Phänomenen in horizontalen Rohren konnte hergeleitet werden. Der Effekt der Rohrneigung auf die Ausbildung verschiedener Flow Regimes wurde untersucht und Strömungseigenschaften, 'Liquid Hold Up' und Druckabfall wurden berechnet. Der zweite Teil der Arbeit konzentriert sich auf die komplexe und mehrdimensionale Natur von Slug Flow Phänomenen. Darin werden mit Hilfe der entwickelten Simulationswerkzeuge Teile des Produktionsfeldes 'Matzen VI' der OMV AG im Raum Gänserndorf analysiert. Der betrachtete Pipeline Sektor ist annähernd 2 Kilometer lang und es war daher nicht möglich, ein globales Berechnungsmodell für diesen Abschnitt zu erstellen, da das numerische Berechnungsgitter Berechnungszellen mit extremen Teilungsverhältnissen enthalten würde und damit das Auftreten von Instabilitäten im Berechnungsverlauf unvermeidbar wäre. Um dies zu vermeiden, wurde daher die Pipeline in verschiedene Sektionen unterteilt, und jeder Abschnitt einzeln untersucht. Abschließend wurde auch ein längerer Sektor analysiert und es werden die Ergebnisse betreffend Slug Velocities, Slug Frequencies, Liquid Hold Up und Druckabfall diskutiert. Vorrangiges Ziel der Arbeit war es, ein tieferes Verständnis von komplexen Mehrphasenströmungsphänomenen in Pipelines zu erhalten, und Richtlinien für das effiziente Design von Pipelines und Downstream Facilities zu erstellen.

    The slug flow regime remains a major and expensive headache for oil produces. In this study, the fluid dynamics of gas liquid slug flows in horizontal, inclined, and hilly terrain pipelines are modeled using multi-dimensional Computational Fluid Dynamics (CFD) codes. The Volume of Fluid Model (VOF) as an interface tracking technique, is developed to predict, visualize and monitor the flow regime. The first part of the thesis is consisting of a study the flow regimes in small diameter pipelines and their characteristics. Therefore, a set of simulation runs was performed to compute flow patterns in horizontal and inclined gas-liquid pipelines. The first set of runs was done using a horizontal pipe and the results were verified against experimental work. The study covers a wide range of fluid flow rates. The slug flow characteristics have been calculated, and new relations between the superficial liquid velocity and liquid hold up have been derived. The second set of runs was conducted for a pipeline with inclination angels +5 deg. The effect of pipe inclination on the flow regime was studied and the flow patterns, liquid holdup and pressure drop have been computed. The second part of the work dealt with the complex and multi-dimensional nature of slug flow. It includes simulation of a full scale field pipeline from OMV-Austria By CFD-VOF technique. The transient flow behaviour occurring in a pipeline with two different diameters has been simulated. Since the pipeline under consideration is nearly 2 Km long, the corresponding computational model would involve grid cells with very large aspect ratios which invariably would lead to solution instabilities in the CFD analysis. To overcome this problem, the pipeline was sub-divided into different sections, and each section was investigated separately. Then, the whole length was simulated and complete investigations have been presented in terms of slug flow characteristics (Slug Velocity, Pressure drop, slug frequency, and holdup). The ultimate aim of this research work was to gain a deeper understanding of multiphase flow phenomena in pipelines and to guidelines to improve the design of pipelines and downstream facilities


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    Titel :

    Simulation of hydrodynamic slug formation in multiphase flowlines and separation devices


    Weitere Titelangaben:

    Simulation der Bildung von Schwallströmungen in Rohrleitungssystemen und Separatoren


    Beteiligte:

    Erscheinungsdatum :

    2008


    Format / Umfang :

    180 Seiten, Bilder, Tabellen, Quellen


    Medientyp :

    Hochschulschrift


    Format :

    Print


    Sprache :

    Englisch




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