Hydrodynamic behavior modeling of pumps handling fluids with complex rheological behavior
Modélisation du comportement hydrodynamique des pompes pour des fluides au comportement rhéologique complexe
Résumé
The thesis research work addresses the pumping of fluids with complex rheological behavior. The aim of the thesis is to carry out an exhaustive analysis of the performance and internal flow features of a volute centrifugal pump when handling complex non-Newtonian emulsions. The industrial applications in this field are numerous and can include crude oil emulsion pumping, wastewater pumping, and cosmetic and food emulsions. Two elements combine to explain the complexity of this scientific problem: the first involves the pump and its three-dimensional geometry with a strong coupling with the loop. The second concerns the nonlinear and unstable rheological behavior of the pumped fluid, especially when the pump carries a reduced fraction of the continuous phase. These flows concern fluids with non-Newtonian and particularly unstable behavior. The insights needed to achieve their understanding are sometimes at the limit of chemistry with approaches at the molecular scale. In this work, several approaches were used to study the hydrodynamic behavior of the pump under emulsion flow: an analytical approach, a single-phase CFD simulation, and a two-phase CFD simulation. The analytical approach is based on a mechanistic model for the determination of the emulsion viscosity as a function of the pump operating conditions, which is then coupled to a mechanistic model based on the different losses encountered in volute pumps. The single-phase simulation is based on a CFD study in which the rheological behavior of the emulsions has been considered neglecting the two-phase nature of the fluid, and the two-phase study which considers the two fluids and the different interactions between the phases. The approaches adopted belong to two distinct categories; the analytical approach allows for differentiation of the losses within the centrifugal pump, which is not the case for CFD. However, this shortcoming is compensated for by the entropy analysis, which allows for the localization of energy losses. Finally, the ability of the two CFD approaches considered to accurately predict the performance of pumps handling emulsions is evaluated by comparing the numerical results of a multistage pump (ESP) with the corresponding experimental data.
Les travaux de recherche de la thèse portent sur le pompage de fluides au comportement rhéologique complexe. L'objectif de la thèse est d'effectuer une analyse exhaustive des performances et des caractéristiques d'écoulement interne d'une pompe centrifuge à volute lors du traitement d'émulsions non newtoniennes complexes. Les applications industrielles dans ce domaine sont nombreuses et peuvent inclure le pompage d'émulsions de pétrole brut, le pompage d'eaux usées, et les émulsions cosmétiques et alimentaires. Deux éléments se combinent pour expliquer la complexité de ce problème scientifique : le premier concerne la pompe et sa géométrie tridimensionnelle avec un fort couplage avec la boucle. Le second concerne le comportement rhéologique non linéaire et instable du fluide pompé, en particulier lorsque la pompe transporte une fraction réduite de la phase continue. Ces écoulements concernent des fluides au comportement non newtonien et particulièrement instable. Les connaissances nécessaires à leur compréhension sont parfois à la limite de la chimie avec des approches à l'échelle moléculaire. Dans ce travail, plusieurs approches ont été utilisées pour étudier le comportement hydrodynamique de la pompe sous écoulement d'émulsion : une approche analytique, une simulation CFD monophasique et une simulation CFD diphasique. L'approche analytique est basée sur un modèle mécaniste pour la détermination de la viscosité de l'émulsion en fonction des conditions de fonctionnement de la pompe, qui est ensuite couplé à un modèle mécaniste basé sur les différentes pertes rencontrées dans les pompes à volute. La simulation monophasique est basée sur une étude CFD dans laquelle le comportement rhéologique des émulsions a été considéré en négligeant la nature diphasique du fluide, et l'étude diphasique qui considère les deux fluides et les différentes interactions entre les phases. Les approches adoptées appartiennent à deux catégories distinctes ; l'approche analytique permet de différencier les pertes au sein de la pompe centrifuge, ce qui n'est pas le cas pour la CFD. Cette lacune est toutefois compensée par l'analyse entropique, qui permet de localiser les pertes d'énergie. Enfin, la capacité des deux approches CFD considérées à prédire avec précision les performances des pompes véhiculant des émulsions est évaluée en comparant les résultats numériques d'une pompe multicellulaire (ESP) avec les données expérimentales correspondantes.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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