Dispersed droplet dynamics during produced water treatment in oil industry

Abstract

For Lagrangian particle tracking applied to swirling flow produced water treatment the influence of the history force is investigated. In the expression for the history force an existing Reynolds number dependent kernel is adapted and validated for a range of experimental data for settling spheres. This kernel is used during the numerical simulation of oil-droplets in an idealized flow field as model for flow fields observed in swirling flow separators. It is shown that the history force should not be neglected for the motion of particles in such flows. However, for this specific type of flow it is shown that the contribution of the history force might be approximated as a drag-like expression.Subsequently, an efficient collision detection mechanism is developed to obtain collision detection with a work-load of O (N p ln N p ). The scheme is validated for settling spheres and applied to the swirling flow field used during the investigation of the influence of the history force.Finally, two approaches for the lattice Boltzmann method, taking into account the equation of state for water, are presented. One approach utilizing a pressure corrected BGK approximation, the other a dense gas BBGKY approximation. A novel approach is used to obtain the macroscopic quantities and boundary conditions. It is shown that for modeling the flow of water around a particle an ideal-gas lattice Boltzmann method to simulate water is not capable of capturing all relevant details. However, modeling the flow with both proposed approaches, which take the equation of state into account, lead to similar results.v Samenvatting Dit onderzoek gaat in op de kracht op een deeltje nodig voor een Lagrangiaanse methode voor het voorspellen van deeltjesbanen, toegepast op het behandelen van geproduceerd water met oliedeeltjes met behulp van een roterende stroming. De bijdrage in de kracht gerelateerd aan de historie van de beweging van het deeltje wordt in detail behandeld. Een bestaande kernel, afhankelijk van het Reynoldsgetal, voor de integraal in deze bijdrage in de kracht is aangepast en gevalideerd aan de hand van experimentele data voor sedimenterende bollen uit de literatuur. Deze aangepaste kernel is toegepast bij het numerieke voorspellen van banen van oliedruppels in een geïdealiseerd stromingsveld, kenmerkend voor roterende-stromingsscheiders. Dit onderzoek laat zien dat de historiekracht niet verwaarloosd kan worden bij het berekenen van de baan van deeltjes in zulke stromingen. Voor een specifiek geval wordt getoond dat deze kracht benaderd kan worden met een uitdrukking die lijkt op die van de weerstandskracht.Vervolgens gaat dit onderzoek in op een efficiënte methode om botsingen te detecteren in dergelijke numerieke berekeningen. De benodigde rekentijd van deze methode varieert als O (N p ln N p ). De methode is eerst gevalideerd voor sedimenterende bollen. Vervolgens is de methode toegepast en onderzocht in het bovengenoemde kenmerkende stromingsveld in roterende stromingsscheiders.Tenslotte worden twee methodes gepresent...

Efficient Collision Detection in a Simulated Hydrocyclone

“…A thorough description of these forces can be found in Refs. [1][2][3][4][5][6]. Evaluation of the history force involves integration in time, which is computationally expensive.…”

“…For an oil droplet in an analytical swirling flow field, typical for hydrocyclones, the history force has been shown to have a significant influence. [1] The resulting equation of motion that governs particle motion is d dt…”

“…with the particle position x, the particle velocity v, the acceleration vector a, and time t. Using the approximation for the force, [1] the particle acceleration can be defined as…”

“…In a hydrocyclone, the macroscopic flow field typically consists of a combination of a solid body rotation and that of an inviscid vortex, a so-called Lamb-Oseen vortex, with an intermediate region in between. [1] Moreover, the axial flow field observed for such a swirling flow is typically a W-shaped profile. [15] In the present research, the flow field mimics a hydrocyclone with constant radius.…”

“…The second viscous decay time s n,1 further defines the W-shaped profile. The fluid velocity field [1] is described by…”