Υπολογιστική διερεύνηση πολυφασικής ροής υγρών-αερίων-στερεών σε κατακόρυφους αγωγούς μεγάλου μήκους και εφαρμογή σε εγκαταστάσεις εξόρυξης πετρελαίου
Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η υπολογιστική διερεύνηση της πολυφασικής ροής που δημιουργείται στο εσωτερικό του συστήματος DIFIS κατά τη χρήση του ως σύστημα έγκαιρης επέμβασης σε περιπτώσεις υπεράκτιων υποθαλάσσιων εκρήξεων. Το σύστημα DIFIS, αποτελείται από την ανεστραμμέ...
| Κύριος συγγραφέας: | |
|---|---|
| Άλλοι συγγραφείς: | |
| Μορφή: | Thesis |
| Γλώσσα: | Greek |
| Έκδοση: |
2018
|
| Θέματα: | |
| Διαθέσιμο Online: | http://hdl.handle.net/10889/11539 |
| id |
nemertes-10889-11539 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| institution |
UPatras |
| collection |
Nemertes |
| language |
Greek |
| topic |
Πολυφασική ροή Υπολογιστική προσομοίωση Διαρροή Αγωγοί Multiphase flow Computational investigation Leakage Pipes 621.867 202 89 |
| spellingShingle |
Πολυφασική ροή Υπολογιστική προσομοίωση Διαρροή Αγωγοί Multiphase flow Computational investigation Leakage Pipes 621.867 202 89 Γιαννούλης, Δημήτριος-Περικλής Υπολογιστική διερεύνηση πολυφασικής ροής υγρών-αερίων-στερεών σε κατακόρυφους αγωγούς μεγάλου μήκους και εφαρμογή σε εγκαταστάσεις εξόρυξης πετρελαίου |
| description |
Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η υπολογιστική διερεύνηση της πολυφασικής ροής που δημιουργείται στο εσωτερικό του συστήματος DIFIS κατά τη χρήση του ως σύστημα έγκαιρης επέμβασης σε περιπτώσεις υπεράκτιων υποθαλάσσιων εκρήξεων.
Το σύστημα DIFIS, αποτελείται από την ανεστραμμένη χοάνη, η οποία συλλέγει αρχικά το διαρρέον μίγμα, τον αγωγό ανύψωσης και μια αποθηκευτική δεξαμενή. Είχε αρχικά σχεδιαστεί για την επέμβαση σε περιπτώσεις διαρροών από ναυάγια, βασιζόμενο στη διαφορά πυκνοτήτων μεταξύ του πετρελαίου και του θαλασσινού νερού, η οποία δημιουργεί την απαραίτητη άνωση ώστε να οδηγηθεί το πετρέλαιο ελεγχόμενα μέσω του αγωγού ανύψωσης στην αποθηκευτική δεξαμενή.
Στις περιπτώσεις υποθαλάσσιων εκρήξεων, η παρουσία φυσικού αερίου στο διαρρέον μίγμα σε συνδυασμό με τους ιδιαίτερα αυξημένους ρυθμούς ροής σε σχέση με τα ναυάγια, καθώς και η ύπαρξη θαλάσσιων ρευμάτων που μπορούν να παρασύρουν το μίγμα εκτός συστήματος, καθιστούν αναγκαία την αναθεώρηση των διαστάσεων και της θέσης του, προκειμένου να εξασφαλισθεί η απρόσκοπτη λειτουργία του. Εξετάζονται τα είδη διφασικής, τριφασικής και τετραφασικής ροής που αναπτύσσονται στο εσωτερικό με την παρουσία θαλασσινού νερού και ποσοτήτων πετρελαίου, μεθανίου αλλά και υδριτών μεθανίου.
Σε πρώτο στάδιο, πραγματοποιείται προκαταρκτική μελέτη με τη χρήση θεωρητικού μοντέλου βασισμένου στην ομογενή διφασική ροή νερού - πετρελαίου και κατόπιν διδιάστατη αξονοσυμμετρική και τρισδιάστατη υπολογιστική προσομοίωση, στις οποίες μελετώνται 4 είδη πετρελαίου διαφορετικών ιδιοτήτων.
Στη συνέχεια, για την αναλυτικότερη μελέτη του συστήματος επιλέγονται δύο ενδεικτικοί τύποι πετρελαίου που συναντώνται στον κόλπο του Μεξικού (Mars crude oil) και στο πεδίο Norne (Svale crude oil), ανοικτά των Νορβηγικών ακτών και εξετάζεται αρχικά η θέση στην οποία πρέπει να τοποθετηθεί το σύστημα, λαμβάνοντας υπόψη για πρώτη φορά τις συνθήκες θαλασσίων ρευμάτων που επικρατούν στο σημείο της διαρροής, προκειμένου να εξασφαλισθεί η απορρόφηση του διαρρέοντος μίγματος.
Για την ακριβέστερη εκτίμηση της απαιτούμενης διαμόρφωσης του κάτω μέρους του συστήματος ώστε να μπορεί να ανταποκριθεί στις τυπικές συνθήκες του σημείου διαρροής, εξετάζονται:
• Οι μηχανισμοί διάσπασης και η μετέπειτα πλευρική επέκταση της διαρρέουσας δέσμης κατά την άνοδό της.
• Η επίδραση των θαλάσσιων ρευμάτων στην τροχιά της διαρρέουσας δέσμης.
• Η διαμόρφωση της ροής στο εσωτερικό της ανεστραμμένης χοάνης μετά την τοποθέτησή της σε χαμηλότερο ύψος.
Πραγματοποιείται διαστατική ανάλυση δέσμης και στη συνέχεια ανάλυση της τροχιάς με βάση εμπειρικές σχέσεις που έχουν προκύψει από ικανό αριθμό πειραματικών αποτελεσμάτων για όλες τις εξεταζόμενες περιπτώσεις διαρροής και τα αποτελέσματα συγκρίθηκαν με αυτά των αντίστοιχων προσομοιώσεων. Η παρατηρούμενη έντονη εκτροπή, σε συνδυασμό με την ύπαρξη μοναδικού σημείου διαρροής ύστερα από την επέμβαση στην περιοχή του ατυχήματος και την τοποθέτηση BOP (Blowout Preventer), οδηγεί στην επανεκτίμηση των διαστάσεων και της θέσης τοποθέτησης της ανεστραμμένης χοάνης.
Στη συνέχεια, μελετάται η διφασική ροή θαλασσινού νερού - πετρελαίου και η τριφασική θαλασσινού νερού - πετρελαίου - μεθανίου στο εσωτερικό του αγωγού ανύψωσης. Πραγματοποιούνται τρισδιάστατοι αριθμητικοί υπολογισμοί για τα δύο είδη πετρελαίου και τρεις διαφορετικές περιπτώσεις διαρροής για το καθένα, στα πρώτα μέτρα του αγωγού, με στόχο να διαφανεί η δυνατότητα του συστήματος να τις απορροφήσει.
Παρουσιάζονται αποτελέσματα που αφορούν την κατανομή των φάσεων στο εσωτερικό του αγωγού ανύψωσης, την αναπτυσσόμενη ταχύτητα μίγματος καθώς και τη συσχέτισή της με την παρουσία των δευτερευουσών φάσεων, ενώ κατασκευάζονται ροϊκοί χάρτες που αναπαριστούν τη συμπεριφορά του μίγματος μέσω της αποτύπωσης των περιοχών ροής και των συνθηκών στις οποίες εμφανίζονται. Επιπλέον, γίνεται σύγκριση των ροϊκών χαρτών με κατάλληλα θεωρητικά μοντέλα διφασικής ροής, προτείνεται ένα νέο μοντέλο για την οριοθέτηση μεταξύ δύο παρατηρούμενων ροϊκών περιοχών και αναλύεται η διασύνδεση μεταξύ του ρυθμού παραμόρφωσης της ροής με τη διάσπαση των δομών των δευτερευουσών φάσεων.
Τέλος, εξετάζονται οι θερμοκρασιακές κατανομές που διαμορφώνονται στο εσωτερικό του αγωγού ανύψωσης και μοντελοποιείται η δημιουργία υδριτών μεθανίου μέσω User Defined Function, για την προσομοίωση της τετραφασικής ροής θαλασσινού νερού - πετρελαίου - μεθανίου - υδριτών και τη διερεύνηση της πιθανότητας φραγής της ροής.
Στο παρατιθέμενο Παράρτημα, παρουσιάζεται η διαδικασία επιλογής του κατάλληλου μοντέλου τύρβης για την υπολογιστική διερεύνηση, συμπληρωματικά αποτελέσματα αναφορικά με την κατανομή πίεσης στο εσωτερικό του αγωγού ανύψωσης, η συνάρτηση μετατροπής του μεθανίου σε υδρίτες (User Defined Function) και μια εναλλακτική πρόταση λειτουργίας της αποθηκευτικής δεξαμενής του συστήματος με τη χρήση μεθόδου έγχυσης αέρα για τη μεταφορά του συσσωρευμένου πετρελαίου.
Στόχος της υπολογιστικής διερεύνησης της πολυφασικής ροής στο εσωτερικό του συστήματος DIFIS είναι η επέκταση της χρήσης του ως μηχανισμό πρόληψης της ρύπανσης του θαλάσσιου περιβάλλοντος σε περιπτώσεις υποθαλάσσιων εκρήξεων, με εφαρμογή κατευθείαν στο σημείο του ατυχήματος. |
| author2 |
Μάργαρης, Διονύσιος-Ελευθέριος |
| author_facet |
Μάργαρης, Διονύσιος-Ελευθέριος Γιαννούλης, Δημήτριος-Περικλής |
| format |
Thesis |
| author |
Γιαννούλης, Δημήτριος-Περικλής |
| author_sort |
Γιαννούλης, Δημήτριος-Περικλής |
| title |
Υπολογιστική διερεύνηση πολυφασικής ροής υγρών-αερίων-στερεών σε κατακόρυφους αγωγούς μεγάλου μήκους και εφαρμογή σε εγκαταστάσεις εξόρυξης πετρελαίου |
| title_short |
Υπολογιστική διερεύνηση πολυφασικής ροής υγρών-αερίων-στερεών σε κατακόρυφους αγωγούς μεγάλου μήκους και εφαρμογή σε εγκαταστάσεις εξόρυξης πετρελαίου |
| title_full |
Υπολογιστική διερεύνηση πολυφασικής ροής υγρών-αερίων-στερεών σε κατακόρυφους αγωγούς μεγάλου μήκους και εφαρμογή σε εγκαταστάσεις εξόρυξης πετρελαίου |
| title_fullStr |
Υπολογιστική διερεύνηση πολυφασικής ροής υγρών-αερίων-στερεών σε κατακόρυφους αγωγούς μεγάλου μήκους και εφαρμογή σε εγκαταστάσεις εξόρυξης πετρελαίου |
| title_full_unstemmed |
Υπολογιστική διερεύνηση πολυφασικής ροής υγρών-αερίων-στερεών σε κατακόρυφους αγωγούς μεγάλου μήκους και εφαρμογή σε εγκαταστάσεις εξόρυξης πετρελαίου |
| title_sort |
υπολογιστική διερεύνηση πολυφασικής ροής υγρών-αερίων-στερεών σε κατακόρυφους αγωγούς μεγάλου μήκους και εφαρμογή σε εγκαταστάσεις εξόρυξης πετρελαίου |
| publishDate |
2018 |
| url |
http://hdl.handle.net/10889/11539 |
| work_keys_str_mv |
AT giannoulēsdēmētriosperiklēs ypologistikēdiereunēsēpolyphasikēsroēsygrōnaeriōnstereōnsekatakoryphousagōgousmegaloumēkouskaiepharmogēseenkatastaseisexoryxēspetrelaiou AT giannoulēsdēmētriosperiklēs computationalinvestigationofliquidgassolidmultiphaseflowsinverticalupwardpipesandapplicationinoilrigs |
| _version_ |
1771297221936939008 |
| spelling |
nemertes-10889-115392022-09-05T14:05:42Z Υπολογιστική διερεύνηση πολυφασικής ροής υγρών-αερίων-στερεών σε κατακόρυφους αγωγούς μεγάλου μήκους και εφαρμογή σε εγκαταστάσεις εξόρυξης πετρελαίου Computational investigation of liquid-gas-solid multiphase flows in vertical upward pipes and application in oil rigs Γιαννούλης, Δημήτριος-Περικλής Μάργαρης, Διονύσιος-Ελευθέριος Πανίδης, Θρασύβουλος Γεωργίου, Δημοσθένης Καλλιντέρης, Ιωάννης Δήμας, Αθανάσιος Κούτμος, Παναγιώτης Giannoulis, Dimitrios-Periklis Πολυφασική ροή Υπολογιστική προσομοίωση Διαρροή Αγωγοί Multiphase flow Computational investigation Leakage Pipes 621.867 202 89 Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η υπολογιστική διερεύνηση της πολυφασικής ροής που δημιουργείται στο εσωτερικό του συστήματος DIFIS κατά τη χρήση του ως σύστημα έγκαιρης επέμβασης σε περιπτώσεις υπεράκτιων υποθαλάσσιων εκρήξεων. Το σύστημα DIFIS, αποτελείται από την ανεστραμμένη χοάνη, η οποία συλλέγει αρχικά το διαρρέον μίγμα, τον αγωγό ανύψωσης και μια αποθηκευτική δεξαμενή. Είχε αρχικά σχεδιαστεί για την επέμβαση σε περιπτώσεις διαρροών από ναυάγια, βασιζόμενο στη διαφορά πυκνοτήτων μεταξύ του πετρελαίου και του θαλασσινού νερού, η οποία δημιουργεί την απαραίτητη άνωση ώστε να οδηγηθεί το πετρέλαιο ελεγχόμενα μέσω του αγωγού ανύψωσης στην αποθηκευτική δεξαμενή. Στις περιπτώσεις υποθαλάσσιων εκρήξεων, η παρουσία φυσικού αερίου στο διαρρέον μίγμα σε συνδυασμό με τους ιδιαίτερα αυξημένους ρυθμούς ροής σε σχέση με τα ναυάγια, καθώς και η ύπαρξη θαλάσσιων ρευμάτων που μπορούν να παρασύρουν το μίγμα εκτός συστήματος, καθιστούν αναγκαία την αναθεώρηση των διαστάσεων και της θέσης του, προκειμένου να εξασφαλισθεί η απρόσκοπτη λειτουργία του. Εξετάζονται τα είδη διφασικής, τριφασικής και τετραφασικής ροής που αναπτύσσονται στο εσωτερικό με την παρουσία θαλασσινού νερού και ποσοτήτων πετρελαίου, μεθανίου αλλά και υδριτών μεθανίου. Σε πρώτο στάδιο, πραγματοποιείται προκαταρκτική μελέτη με τη χρήση θεωρητικού μοντέλου βασισμένου στην ομογενή διφασική ροή νερού - πετρελαίου και κατόπιν διδιάστατη αξονοσυμμετρική και τρισδιάστατη υπολογιστική προσομοίωση, στις οποίες μελετώνται 4 είδη πετρελαίου διαφορετικών ιδιοτήτων. Στη συνέχεια, για την αναλυτικότερη μελέτη του συστήματος επιλέγονται δύο ενδεικτικοί τύποι πετρελαίου που συναντώνται στον κόλπο του Μεξικού (Mars crude oil) και στο πεδίο Norne (Svale crude oil), ανοικτά των Νορβηγικών ακτών και εξετάζεται αρχικά η θέση στην οποία πρέπει να τοποθετηθεί το σύστημα, λαμβάνοντας υπόψη για πρώτη φορά τις συνθήκες θαλασσίων ρευμάτων που επικρατούν στο σημείο της διαρροής, προκειμένου να εξασφαλισθεί η απορρόφηση του διαρρέοντος μίγματος. Για την ακριβέστερη εκτίμηση της απαιτούμενης διαμόρφωσης του κάτω μέρους του συστήματος ώστε να μπορεί να ανταποκριθεί στις τυπικές συνθήκες του σημείου διαρροής, εξετάζονται: • Οι μηχανισμοί διάσπασης και η μετέπειτα πλευρική επέκταση της διαρρέουσας δέσμης κατά την άνοδό της. • Η επίδραση των θαλάσσιων ρευμάτων στην τροχιά της διαρρέουσας δέσμης. • Η διαμόρφωση της ροής στο εσωτερικό της ανεστραμμένης χοάνης μετά την τοποθέτησή της σε χαμηλότερο ύψος. Πραγματοποιείται διαστατική ανάλυση δέσμης και στη συνέχεια ανάλυση της τροχιάς με βάση εμπειρικές σχέσεις που έχουν προκύψει από ικανό αριθμό πειραματικών αποτελεσμάτων για όλες τις εξεταζόμενες περιπτώσεις διαρροής και τα αποτελέσματα συγκρίθηκαν με αυτά των αντίστοιχων προσομοιώσεων. Η παρατηρούμενη έντονη εκτροπή, σε συνδυασμό με την ύπαρξη μοναδικού σημείου διαρροής ύστερα από την επέμβαση στην περιοχή του ατυχήματος και την τοποθέτηση BOP (Blowout Preventer), οδηγεί στην επανεκτίμηση των διαστάσεων και της θέσης τοποθέτησης της ανεστραμμένης χοάνης. Στη συνέχεια, μελετάται η διφασική ροή θαλασσινού νερού - πετρελαίου και η τριφασική θαλασσινού νερού - πετρελαίου - μεθανίου στο εσωτερικό του αγωγού ανύψωσης. Πραγματοποιούνται τρισδιάστατοι αριθμητικοί υπολογισμοί για τα δύο είδη πετρελαίου και τρεις διαφορετικές περιπτώσεις διαρροής για το καθένα, στα πρώτα μέτρα του αγωγού, με στόχο να διαφανεί η δυνατότητα του συστήματος να τις απορροφήσει. Παρουσιάζονται αποτελέσματα που αφορούν την κατανομή των φάσεων στο εσωτερικό του αγωγού ανύψωσης, την αναπτυσσόμενη ταχύτητα μίγματος καθώς και τη συσχέτισή της με την παρουσία των δευτερευουσών φάσεων, ενώ κατασκευάζονται ροϊκοί χάρτες που αναπαριστούν τη συμπεριφορά του μίγματος μέσω της αποτύπωσης των περιοχών ροής και των συνθηκών στις οποίες εμφανίζονται. Επιπλέον, γίνεται σύγκριση των ροϊκών χαρτών με κατάλληλα θεωρητικά μοντέλα διφασικής ροής, προτείνεται ένα νέο μοντέλο για την οριοθέτηση μεταξύ δύο παρατηρούμενων ροϊκών περιοχών και αναλύεται η διασύνδεση μεταξύ του ρυθμού παραμόρφωσης της ροής με τη διάσπαση των δομών των δευτερευουσών φάσεων. Τέλος, εξετάζονται οι θερμοκρασιακές κατανομές που διαμορφώνονται στο εσωτερικό του αγωγού ανύψωσης και μοντελοποιείται η δημιουργία υδριτών μεθανίου μέσω User Defined Function, για την προσομοίωση της τετραφασικής ροής θαλασσινού νερού - πετρελαίου - μεθανίου - υδριτών και τη διερεύνηση της πιθανότητας φραγής της ροής. Στο παρατιθέμενο Παράρτημα, παρουσιάζεται η διαδικασία επιλογής του κατάλληλου μοντέλου τύρβης για την υπολογιστική διερεύνηση, συμπληρωματικά αποτελέσματα αναφορικά με την κατανομή πίεσης στο εσωτερικό του αγωγού ανύψωσης, η συνάρτηση μετατροπής του μεθανίου σε υδρίτες (User Defined Function) και μια εναλλακτική πρόταση λειτουργίας της αποθηκευτικής δεξαμενής του συστήματος με τη χρήση μεθόδου έγχυσης αέρα για τη μεταφορά του συσσωρευμένου πετρελαίου. Στόχος της υπολογιστικής διερεύνησης της πολυφασικής ροής στο εσωτερικό του συστήματος DIFIS είναι η επέκταση της χρήσης του ως μηχανισμό πρόληψης της ρύπανσης του θαλάσσιου περιβάλλοντος σε περιπτώσεις υποθαλάσσιων εκρήξεων, με εφαρμογή κατευθείαν στο σημείο του ατυχήματος. The aim of the present doctoral thesis is the computational investigation of the multiphase flow formed inside the DIFIS system during its use for prompt intervention in cases of offshore subsurface blowouts. The DIFIS system consists of an inverted funnel (dome), which initially collects the leaking mixture, a riser tube and a buffer bell. It was originally designed for intervention in cases of leakage from shipwrecks, based on the difference between oil and sea-water densities, which creates the necessary buoyancy in order to channel the leaking oil through the riser tube towards the buffer bell. In cases of underwater blowouts, the presence of natural gas in the leaking mixture in combination with the highly increased flow rates compared to shipwrecks, as well as the existence of sea-currents that can drift the mixture out of the system, necessitate a revision of the dimensions and the position of the system, in order to ensure trouble-free operation. The types of two, three and four phase flows developed in the interior are examined, with the presence of sea-water and quantities of oil, methane and methane hydrates. In the first stage, a preliminary study is carried out, using a theoretical model based on homogeneous two-phase water-oil flow, and then two-dimensional axisymmetric and three-dimensional computational simulations were conducted, in which 4 types of oil of different properties were studied. Then, for a more detailed study of the system, two indicative types of oil are selected, found in the Gulf of Mexico (Mars crude oil) and in the Norne field (Svale crude oil), 200 km off the Norwegian coast, in order to initially examine the position in which the system should be placed, taking into account for the first time, the conditions of sea-currents which are present in the region of the leaking point, in order to ensure the absorption of the leaking mixture. For a more accurate estimation of the required configuration of the system’s bottom section, so that it can respond to the typical conditions of the leakage, the following are examined: • The break-up mechanisms and the subsequent lateral expansion of the leaking jet during its rise. • The effect of sea-currents on the trajectory of the leaking mixture. • The flow configuration in the interior of the dome after inserting it at a lower height. A dimensional analysis of the leaking jets is performed and then the trajectory analysis, based on empirical relationships that have emerged from a sufficient number of experimental results for all cases of leakage and the results were compared with those of the corresponding simulations. The observed intense drift, in combination with the existence of a unique leaking point, after the intervention in the area of the accident and the placement of a BOP (Blowout Preventer), leads to a re-evaluation of the dimensions and the position of placement of the dome. Then, the two-phase flow of sea-water - oil and three-phase sea-water - oil - methane is studied, in the interior of the riser tube. Three-dimensional numerical simulations for both types of oil were performed for three different cases of leaking rate, in the first meters of the riser tube and the aim is to examine the ability of the system to absorb them. The results present the distribution of the phases in the interior of the riser tube, the developed mixture velocity as well as its correlation with the presence of secondary phases, while new flow pattern maps are constructed, describing the mixture behaviour through the presentation of the flow areas and the conditions under which they occur. In addition, a comparison is made of the modelling of the maps with appropriate theoretical models of two-phase flow, it is proposed a new model for the demarcation between the two observed flow areas, and analyses the interconnection between the deformation rate of the flow by breaking up the structure of the secondary phases. Finally, are examined the temperature distributions in the interior of the riser tube, and is modelled the creation of methane hydrates via User Defined Function, for the simulation of four phase flow of sea-water - oil - methane - hydrates and investigate the possibility of flow blockage. In the Appendix, is presented the procedure for the selection of the suitable turbulence model for the computational investigation, additional results concerning the pressure distribution in the interior of the riser tube, the code describing the conversion of methane into hydrates (User Defined Function) and an alternative proposal for operation of the buffer bell, with the use of air injection method for the transportation of the accumulated oil. The main objective of the computational investigation of the multiphase flow inside the DIFIS system is the extension of its use as a system for the prevention of pollution of the marine environment in cases of underwater blowouts, with application directly at the point of the accident. 2018-08-28T10:38:16Z 2018-08-28T10:38:16Z 2018-05-15 Thesis http://hdl.handle.net/10889/11539 gr Η ΒΚΠ διαθέτει αντίτυπο της διατριβής σε έντυπη μορφή στο βιβλιοστάσιο διδακτορικών διατριβών που βρίσκεται στο ισόγειο του κτιρίου της. 0 application/pdf |
