Numerical simulations of liquid flow through restrictors

E. Siraª, J. Klapp^b, L. Di G. Sigalotti ª, and G. Mendoza^b

ª Centro de Física, Instituto Venezolano de Investigaciones Científicas, IVIC, Apartado 21827, Caracas 1020A, Venezuela

^b Departamento de Física, Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares, ININ, Km. 36.5 Carretera México–Toluca, 52045 Estado de México, México

Recibido el 25 de noviembre de 2003 ]]> Aceptado el 15 de marzo de 2004

Abstract

In this paper we describe the results of a two–dimensional numerical simulation of a viscous liquid flow through a wellhead choke of real dimensions using the of Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) method. The study of such flows has a direct application to the oil industry because in oil fields, it is common practice to pass liquid and gas mixtures through chokes to control the flow rates and protect the surface equipment from unusual pressure fluctuations. For the present model calculation, we assume an isothermal flow with a sound speed c of 2.0 x 10⁴ cm s^–1 and a constant kinematic viscosity coefficient (v = 0.01 cm² s^–1). The results predict a pressure drop of about 13% through the choke throat when the flow approaches an approximately stationary pattern. The flow across the choke remains subcritical with velocities of 0.1c. These velocities are about 6 and 3.5 times higher than those at the outlet and inlet sections of the choke throat, respectively. Due to the simplifications employed in the present model, the predicted pressure drop is much lower than that obtained experimentally for pure liquid with a velocity of 0.1c through the choke.

Keywords: Flows in ducts, channels, nozzles, and conduits; Flow control; computational methods in influid dynamics; applied fluid mechanics.

Resumen

En este trabajo se describen los resultados de la simulación numérica del flujo de un líquido viscoso a través de un estrangulador de dimensiones reales usando el método de Hidrodinámica de Partículas Suavizadas (SPH). El estudio de dichos flujos tiene aplicación directa en la industria del petróleo dado que es de uso común en los campos petroleros hacer fluir mezclas de gas y líquido a través de estranguladores con el objeto de controlar las tasas de flujo y protejer los equipos de superficie de eventuales fluctuaciones de presión. Se supone para este cálculo que el flujo es isotérmico con una velocidad del sonido c de 2.0 x 10⁴ cm s^–1 y un coeficiente de viscosidad cinemática constante (v= 0.01 cm² s^–1). Los resultados predicen una caída de presión del 13% a través del estrangulador cuando el flujo alcanza un estado estacionario. El flujo a lo largo del estrangulador permanece subsónico con velocidades del orden de 0.1c. Estas velocidades son aproximadamente 6 y 3.5 veces mayores que los valores correspondientes en la entrada y salida del estrangulador, respectivamente. Debido a las simplificaciones usadas en este modelo, la caída de presión que se obtiene es mucho menor que el valor medido experimentalmente para un líquido con velocidad de 0.1c a través del estrangulador.

Descriptores: Flujo en ductos, canales, inyectores, y tubos; control de flujo; métodos computacionales en dinámica de fluidos; mecánica de fluidos aplicada.

DESCARGAR ARTÍCULO EN FORMATO PDF

References

1. F. Fortunati, in The SPE–European Spring Meeting 1972 of the Society of Petroleum Engineering of AIME, Amsterdam, The Netherlands (1972) 1.        [ Links ]

2. F.E. Ashford and P.E. Pierce, J. Petrol. Tech. (1975) 1145.        [ Links ]

3. T.K. Perkins, SPE Drilling & Completion (1993) 271.        [ Links ]

4. L. Di G. Sigalotti, J. Klapp, E. Sira, Y. Melean, and A. Hasmy, J. Comp. Phys. 191 (2003) 622.        [ Links ]

5. Y. Melean, L. Di G. Sigalotti, and A. Hasmy, Comp. Phys. Comm. (2003) in press.        [ Links ]

6. J. Klapp, L. Di G. Sigalotti, R. Gabbasov, and E. Sira, Computers & Fluids (2003) submitted.        [ Links ]

7. J.J. Monaghan and J.C. Lattanzio, Astron. Astrophys. 149 (1985) 135.        [ Links ]

8. J. Bonet and T.–S.L. Lok, Comp. Meth. Appl. Mech. Eng. 180 (1999) 97.        [ Links ]

9. H. Takeda, S.M. Miyama, and M. Sekiya, Prog. Theoret. Phys. 92 (5) (1994) 939.        [ Links ] ]]> 1 1972 1 2 1975 1145 3 1993 271 4 2003 191 191 622 5 2003 6 2003 7 1985 149 149 135 8 1999 180 180 97 9 1994 92 5 5 939