Modélisation numérique par la méthode SPH de la séparation eau-huile dans les séparateurs gravitaires

Numerical modeling of water-oil separation in phase separators using an SPH method

• Auteur / Autrice : Nicolas Grenier
• Direction : Bertrand Alessandrini, David Le Touzé
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dynamique des fluides et des transferts
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur, Géosciences, Architecture (Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de recherche en hydrodynamique, énergétique et environnement atmosphérique (Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Centrale Nantes (1991-....)

Mots clés

Mots clés libres

Solveur de Riemann

Ecoulement de bulles

Multiphase

Interface

Fraction de volumes

Sph

Résumé

In oil extraction industry, efficiency of water-oil separators for offshore production is crucial. The aim of this work is to develop numerical tools able to model such systems in operation. The physical phenomena involved are mainly : the presence of an interface between two immiscible fluids, the viscosity of these fluids, and surface tension effects. Corresponding physical and numerical models have been implemented in the frame of the SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics) numerical method developed at L. M. F. . The main features of SPH are : particle-based method (mesh-free), weakly-compressible approach and explicit resolution. To improve two-phase flows modeling, classical formulation of SPH has been extended by two different approaches, developed simultaneously. Each of these has been validated separately. Additional physical effects have been implemented using shared models which validations have been performed on several test cases such as Poiseuille flows, Rayleigh-Taylor instabilities, flooding or bubble evolutions in liquids. The latter has allowed comparison to the design tools used in the SAIMPEM S. A. Engineering process, through the validation versus Stoke's law. Eventually, the method capabilities are illustrated on the water-oil separation in a separator of simplified geometry.

Dans l'industrie d'extraction pétrolière, l'efficacité des séparateurs eau-huile pour la production offshore est cruciale. L'objet de ce travail est de mettre en place les outils numériques nécessaires à la modélisation du fonctionnement de ces systèmes. Les phénomènes physiques entrant en jeu sont principalement : la présence d'interfaces entre des fluides non miscibles, la viscosité de ces fluides, et les effets de tension superficielle. Les modèles physiques et numériques correspondants ont été implémentés dans le cadre de la méthode numérique SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics) développée au L. M. F. Cette méthode numérique appartient à la classe des méthodes particulaires (sans maillage), suivant une approche d'écoulement compressible et avec une résolution explicite. Pour modéliser au mieux les écoulements bifluides, la formulation historique de la SPH a été enrichie par deux approches différentes, développées simultanément. Chacune d'entre elles a été validée séparément. La physique supplémentaire a été rajoutée par des modèles communs qui ont été validés sur différents cas tests tels que l'écoulement de Poiseuille, les instabilités de Rayleigh-Taylor, des cas d'envahissement ou l'évolution de bulles dans un liquide. Ce dernier cas a permis la comparaison aux outils de conception utilisés dans le procédé d'ingénierie de la SAIPEM S. A. , par l'intermédiaire d'une validation sur la loi de stokes. Finalement, les capacités de la méthode sont illustrées sur la séparation eau-huile dans un séparateur de géométrie simplifiée.