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Eventos Anais de eventos

Anais de eventos

COBEM 2021

26th International Congress of Mechanical Engineering

NUMERICAL STUDY AND DEVELOPMENT OF AN EXPERIMENTAL TEST-RIG CONFIGURATION OF A SUPERSONIC NOZZLE FOR GAS SEPARATION

Submission Author: Rodrigo Fazioli Gastaldo , SP
Co-Authors: Rodrigo Fazioli Gastaldo, Julian Camilo Restrepo Lozano, Ricardo Galdino da SIlva, Reinaldo Marcondes Orselli, José Roberto Simões Moreira, Bruno Carmo
Presenter: Rodrigo Fazioli Gastaldo

doi://10.26678/ABCM.COBEM2021.COB2021-1224

 

Abstract

One of the challenges in exploration and extraction of natural gas is the large amount of carbon dioxide (CO2) present in the gas right after extraction. In that scenario, devices for gas separation have been developed, among which stands out the supersonic separator where its main advantage over others is to be compact and efficient, especially for large proportions of CO2. In this context and due to the device complex phenomena (high-speed compressible flow, non-homogeneous condensation, and two-phase swirling flow), the construction of a high-pressure experimental test-rig is required for the validation of numerical codes. This research contributes through the realization of three-dimensional numerical simulations based on a supersonic nozzle configuration for gas separation as a preliminary prototype to be used in experimental testing (based on the test-rig design), particularly with pressure measurements along the nozzle, vorticity distribution and shock wave flow visualization. Through the numerical results provided, the flow features, as aforementioned, along the configuration of the supersonic convergent-divergent nozzle are investigated. The Finite Volume Method is used for the numerical simulations. As the flow is highly turbulent, the flow governing equations (RANS) with turbulence modeling are applied. In addition, according to the operational range of the experimental tests, different outlet pressures, concentration of CO2, and nozzle pressure ratio are considered for the numerical investigation. Following that, by analyzing the flow characteristics along the preliminary prototype nozzle configuration, a modification is proposed in order to mitigate effects such as flow separation, boundary layer thickening and energy loss, thus contributing to the development of the test-rig by reducing the uncertainties of the measures in the experimental tests.

Keywords

supersonic separator, Computational Fluid Dynamics, turbulence modeling, Shock wave

 

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