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

par Mani Chandan Naru

Thèse de doctorat en Mécanique des fluides

Sous la direction de Stéphane Popinet et de Guillaume Vinay.

Soutenue le 04-02-2021

à Sorbonne université , dans le cadre de École doctorale Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique de Paris , en partenariat avec IFP Energies Nouvelles (laboratoire) .

Le président du jury était José-Maria Fullana.

Le jury était composé de Anke Lindner, Christine Dalmazzone, Anthony Wachs.

Les rapporteurs étaient Donna Calhoun, Stéphane Vincent.

mots clés

• Mécanique des fluides
• Écoulement diphasique
• Méthode de suivi d’interface
• Simulation numérique
• Émulsion
• Physico-chimie de l’interface
• Écoulement diphasique
• Émulsions -- Simulation par ordinateur
• Méthode VOF
• Séparateurs d'eau et d'hydrocarbures

Titre traduit

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

Résumé

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.

mots clés

• Fluid mechanics
• Two phase flow
• Interface tracking method
• Digital simulation
• Emulsion
• Physical chemistry of the interface

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.