Simulation of oil-water core annular flow through an inclined pipe

The present work reports a Volume of Fluid (VOF) multiphase flow simulation of oil-water core-annular flow through an inclined pipe (15° downward inclination angle with respect to the horizontal). Three different geometries of the flow entry and initial mixing region (i.e., nozzle part) have been sketched for the simulations: (1) a “simplified” geometry, in which water and oil are injected and mixed at the inlet section of the main pipe without any nozzle part; (2) a “branch” geometry, in which water and oil are injected through a branch then mixed in the nozzle, (3) an “extended” geometry, in which water and oil are injected through an extended pipe then mixed in the nozzle. A structured hexahedral grid has been created for each geometry. In all the cases, water is injected circumferentially, whereas oil is injected annularly [19]. Simulated results with respect to each geometry were compared with experimental results [25]. The simulations were run for 8 flow conditions with oil superficial velocity ranging from 0.56 to 1.06 [m/s] and with water superficial velocity ranging from 0.66 to 1.33 [m/s]. The turbulence models realizable k-ε and Transition SST are set for steady state pseudo-transient simulations [24] . The “extended” geometry (Figure 1) shows the trend closest to the experimental results. The average oil holdup obtained from simulations is consistent with the experimental data with a maximum deviation error.

Il presente lavoro riporta una simulazione del flusso multifase del volume del fluido (VOF) del flusso anulare olio-acqua attraverso un tubo inclinato (angolo di inclinazione di 15° verso il basso rispetto all'orizzontale). Per le simulazioni sono state abbozzate tre diverse geometrie dell'ingresso del flusso e della regione di miscelazione iniziale (cioè la parte dell'ugello): (1) una geometria "semplificata", in cui acqua e olio vengono iniettati e miscelati nella sezione di ingresso del tubo principale senza alcuna parte dell'ugello; (2) una geometria "di derivazione", in cui acqua e olio vengono iniettati attraverso un ramo quindi miscelati nell'ugello, (3) una geometria "estesa", in cui acqua e olio vengono iniettati attraverso un tubo esteso quindi miscelati nell'ugello . Per ciascuna geometria è stata creata una griglia esagonale strutturata. In tutti i casi, l'acqua viene iniettata circonferenzialmente, mentre l'olio viene iniettato anularmente [19]. I risultati simulati rispetto a ciascuna geometria sono stati confrontati con i risultati sperimentali [25]. Le simulazioni sono state eseguite per 8 condizioni di flusso con velocità superficiale dell'olio compresa tra 0,56 e 1,06 [m/s] e con velocità superficiale dell'acqua compresa tra 0,66 e 1,33 [m/s]. I modelli di turbolenza realizzabili k-ε e Transition SST sono impostati per simulazioni pseudo-transitori allo stato stazionario [24] . La geometria “estesa” (Figura 1) mostra l'andamento più vicino ai risultati sperimentali. La ritenzione media dell'olio ottenuta dalle simulazioni è coerente con i dati sperimentali con un errore di deviazione massimo.