Numerical simulation of a water/oil emulsion in a multiscale/multiphysics context - Faculté des Sciences de Sorbonne Université Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2021

Numerical simulation of a water/oil emulsion in a multiscale/multiphysics context

Simulation numérique d'une émulsion eau/huile à l'aide d'une approchemulti-physique/multi-échelle

Résumé

Crude oil extraction and production lead to the formation of an emulsion of water and oil, which must be separated before being conveyed to the process installation or re-injected in the reservoir. Reducing the cost of the separation by optimizing the system requires a good understanding of the physics of emulsions. Emulsions are a multiscale/multiphysics problem involving a wide range of length scales and time scales. In particular, coalescence is a key process to be understood. Due to the difficulty of physical experimentations, numerical simulations of emulsions are appealing. Where using a single VOF function always allows coalescence at the mesh size and using different VOF functions for different drops always avoid coalescence (it is computationally expensive to use as many VOF functions as there are drops). Based on the idea that drops far enough away from one another can use the same VOF function, an efficient algorithm is developed to avoid coalescence for a large number of drops using only a few VOF functions. Furthermore, these non-coalescing drops can also be tracked over time and allowed to coalesce after the desired amount of contact time. This opens the door for efficient subgrid-scale modeling of the coalescence process. The analysis of large coalescing and non-coalescing emulsions with Bo = O(1) and Ar = O(1) have shown instabilities with a wavelength independent from the domain size characterized by the drop diameter. In coalescing emulsions filaments formation controlled by the domain size appeared. The delay in total settling time of an emulsion is also demonstrated by varying the coalescence time using the control coalescence algorithm.
L'extraction et la production de pétrole brut conduisent à la formation d'une émulsion d'eau et d'huile, qui doit être séparée avant d'être acheminée vers l'installation de procédé ou réinjectée dans le réservoir. Réduire le coût de la séparation en optimisant le système nécessite une bonne compréhension de la physique des émulsions. Les émulsions sont un problème multi-échelles / multiphysiques impliquant une large gamme d'échelles de longueur et d'échelles de temps. En particulier, la coalescence est un processus clé à comprendre. En raison de la difficulté des expérimentations physiques, les simulations numériques d'émulsions sont attrayantes. Lorsque l'utilisation d'une seule fonction VOF permet toujours la coalescence à la taille du maillage et l'utilisation de différentes fonctions VOF pour différentes gouttes évite toujours la coalescence (il est coûteux en calcul d'utiliser autant de fonctions VOF qu'il y a de gouttes). Sur la base de l'idée que les chutes suffisamment éloignées les unes des autres peuvent utiliser la même fonction VOF, un algorithme efficace est développé pour éviter la coalescence d'un grand nombre de gouttes en utilisant seulement quelques fonctions VOF. En outre, ces gouttes non coalescentes peuvent également être suivies dans le temps et autorisées à fusionner après la durée de contact souhaitée. Cela ouvre la porte à une modélisation efficace à l'échelle du sous-réseau du processus de coalescence. L'analyse de grandes émulsions coalescentes et non coalescentes avec Bo = O (1) et Ar = O (1) a montré des instabilités avec une longueur d'onde indépendante de la taille de domaine caractérisée par le diamètre de goutte. Dans les émulsions coalescentes, une formation de filaments contrôlée par la taille du domaine est apparue. Le retard du temps de stabilisation total d'une émulsion est également démontré en faisant varier le temps de coalescence à l'aide de l'algorithme de coalescence témoin.
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tel-03469455 , version 1 (10-04-2021)
tel-03469455 , version 2 (07-12-2021)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03469455 , version 2

Citer

Mani Chandan Naru. Numerical simulation of a water/oil emulsion in a multiscale/multiphysics context. Fluid mechanics [physics.class-ph]. Sorbonne Université, 2021. English. ⟨NNT : 2021SORUS056⟩. ⟨tel-03469455v2⟩
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