Til hovedinnhold

 

 

 

Slike dataanimerte effekter fascinerer Robert Olsen (til v), PhD-student He Zhao og Gunhild A. Gjøvåg.
Foto  Mette K. Høiseth

Når Terminatoren (Kristianna Loken) blir omformet fra skikkelse til en metallpytt i filmen Terminator 3, bruker filmfolkene simuleringsteknikker for overflatebevegelser for at smelteprosessen skal se naturlig ut. Sammen med datakraft fra mange tusen datamaskiner kunne animatørene gi oss en god filmopplevelse.

Simulering av overflatebevegelse baserer seg på fysiske grunnprinsipper og sammen med mye datakraft er det mulig å lage naturtro animasjoner. Noen eksempler på slike dataanimerte spesialeffekter er:

  • Gjørme i ”Shrek”
  • Terminatoren TX i væskeform  i ”Terminator 3”
  • Vin i ”Pirates of the Caribbean”
  • Tar-monsteret i ”Scooby Doo 2”
  • Vann i ”The Day After Tomorrow”

Level-set-metoden
Simuleringsteknikkene har mange anvendelsesområder. Ved SINTEF Energiforskning har en av disse teknikkene, level-set-metoden, vært brukt med hell ved simulering av koalesens (sammenslåing) av vanndråper i olje under påvirkning av elektriske felt. Denne kunnskapen er en viktig del av arbeidet med å forbedre utstyr og prosess for å skille ut vann fra en oljestrøm.

Produksjon av LNG (Liquefied Natural Gas) skjer ved nedkjøling av naturgass. Dette skjer i varmevekslere. På veien fra naturgass til LNG opptrer flere tofaserelaterte fenomener. I KMB prosjektet Remote Gas er et av målene og utvikle kompetanse og verktøy som muliggjør nye typer LNG anlegg som opererer på en offshore flyter. Robuste, sikre, lette og kompakte anlegg gir nye utfordringer knyttet til design og operasjon. Vår hypotese er at level-set metoden kan benyttes til detaljerte studier av de mest sentrale tofase fenomenene og dermed øke forståelsen for og evnen til å modellere disse. Økt forståelse av tofasestrømning er et viktig element i å realisere relevante designverktøy. Disse modellene kan blant annet benyttes til å forbedre modeller for å beregne varmeovergang og trykktap i varmevekslerne, samt fordeling av tofase kuldemedium.

Grunnprinsippet for level-set-metoden er at vi løser grunnligningene for strømning, Navier-Stokes ligningene, og løser en ligning for avstanden til overflaten,  ,i tillegg. Overflaten er definert av level-set funksjonen lik null. Utfordringene ligger i å løse ligningene godt nok slik at vi får en realistisk overflatebevegelse.

Studerer fenomener
En realistisk overflatebevegelse er nødvendig for å kunne forstå tofasefenomen i LNG- anlegg. I motsetning til animasjon holder det ikke bare at det ser realistisk ut, men det må gjenspeile det som faktisk skjer i produksjonsanlegget. Vi tror at vi vil kunne forstå de styrende mekanismene bedre ved å undersøke enkeltfenomener
i tofasestrømning detaljert.

De fenomen som vi ser nærmere på er:

  • Dråper som kolliderer
  • Væskefilmer som strømmer langs flater
  • Kollisjon mellom dråper og væskefilm
  • Avrivning av dråper fra væskefilmer

Teknikker for tofasestrømning
Post doc. Roar Meland har studert den spennende level-set-metoden og laget en simuleringskode for dette formålet. Prosjekt- og diplomstudent Knut Erik Teigen bruker denne koden i sine undersøkelser av utfordringer i bruk av level-set-teknikker for tofasestrømning av naturgass.

Vann blir til vanndamp ved 100 grader og atmosfæretrykk, og under koking vil vi ha tofase (vann som væske og damp) strømning. Tilsvarende er det for naturgass men ved veldig lave temperaturer. I figur 2 ser vi en simulering av en tofase naturgass ved -120 °C og 10 ganger atmosfæretrykk . Væskefilmen på veggen var ikke stabil og simuleringen viser at ved de gitte betingelser vil strømningen opptre som en boblestrøm. Denne kunnskapen kan utnyttes til energieffektiv nedkjøling av naturgass til ren væske. Naturgass ved atmosfæretrykk og -162 °C er det som kalles Liquefied Natural Gas (LNG).

Figur 2. Overgang fra annulærstrøm til boblestrøm i en mikrokanal.
Figur 3. To væskedråper som slår seg sammen.
Figur 4. En væskedråpe som blir en del av en væskefilm.

Det er også viktig å vite hvordan væskedråper slår seg sammen eller deler seg, se figur 3. Dette vil fortelle forskerne om antallet dråper og størrelsen, som igjen påvirker fordeling av tofasestrømmen. En god fordeling av tofasestrømmen gir bedre energieffektivitet i LNG-anlegget.

Tilsvarende er det viktig å forstå hvordan en dråpe påvirker en væskefilm. For eksempel å vite om dråpen blir en del av filmen eller om det blir flere dråper etter kollisjonen, se figur 4.

Vi som jobber med dette synes det er spennende med detaljerte beregninger. Simuleringene gir mange utfordringer. Det er viktig å vite hvordan modellen virker og vi blir ekstra fornøyde når vi ser at modellene kan verifiseres av eksperimenter. Nettopp derfor har PhD-student He Zhao begynt å lage detaljerte eksperimenter for å finne ut om simuleringene gir riktig resultat og samtidig øke forståelsen av fenomenene.

Enabling Production of Remote Gas
Dette utfordrende og spennende arbeidet er en del av aktiviteten i et større kompetansebyggende prosjekt, Enabling Production of Remote Gas (Remote Gas), som ledes av Mona J. Mølnvik ved SINTEF Energiforskning. Prosjektet har som mål å øke verdien til ”remote gas”, og arbeider både med kjemisk konvertering av naturgass og nedkjøling av naturgass til LNG. ”Remote gas” er definert som gassforekomster med en beliggenhet eller størrelse som gjør det lite attraktivt å transportere gassen til eksisterende infrastruktur via rørledninger.

Forskningsprosjektet er basert på utfordringene identifisert av OG21 (Oil and Gas in the 21st century). Her pekes det på at 40 - 60 prosent av verdens gassreserver er såkalt ”remote”, og dette vil trolig også være tilfelle for framtidige norske gassfunn i nordlige områder. Anbefalte tiltak for å gjøre det mulig med produksjon fra denne typen felt, er å frambringe kunnskap, metoder og verktøy som muliggjør utvikling av sikre, robuste og effektive LNG-, GTL- og metanol produksjonsanlegg offshore.

I tillegg til LNG og kjemisk konvertering fokuserer vi i Remote Gas på felles problemstillinger for prosessene som sikkerhet, kraftforsynig og regulerbarhet. I tillegg til industripartnerne er SINTEF Materialer og Kjemi, SINTEF IKT, NTNU og UiO med i prosjektet.

Arbeidet relatert til LNG i Remote Gas
Produksjon av LNG er i stor grad kjent teknologi til bruk på land. Man har enda ikke realisert slike anlegg på flytere til tross for at mange konsepter har blitt utviklet. For å gjøre anleggene mer egnet for offshore operasjon, arbeider vi her for å fremskaffe kunnskap som kan gi mer kompakte anlegg med lav vekt. Anleggene må også tilfredsstille gassindustriens krav om sikkerhet, pålitelighet og effektivitet.

Artikkelen er en del av Remote Gas-prosjektet og det strategiske forskningsprogrammet Petromaks. Statoil, Hydro, UOP, Aker Kværner, Det Norske Veritas og Norges forskningsråd (168223/S30) er prosjektpartnere.

 

Kontaktpersoner:
Gunhild Allard Reigstad

 



Figur 1. To vanndråper i olje som slår seg sammen ved hjelp av et elektrisk felt.