Caracterização experimental do escoamento em padrão slug em dutos verticais com e sem bolhas dispersas

Abstract

O padrão de escoamento slug ou em golfadas apresenta grande ocorrência em aplicações industriais. Particularmente, na área de petróleo e gás, se apresenta de forma bastante frequente em dutos de produção e transporte. A característica fundamental do padrão slug é a presença das bolhas de Taylor, que apresentam uma forma alongada, seguida de um slug de líquido, que pode conter bolhas dispersas. O presente trabalho procura estudar, de maneira fundamental, o comportamento de um escoamento em padrão slug, procurando caracterizar o escoamento ao redor das bolhas de Taylor em fluido estagnado, em co-corrente sem bolhas dispersas, e co-corrente na presença de bolhas dispersas, sendo este último, o caso mais representativo de um slug real, e que é considerada a principal contribuição deste trabalho. A partir deste estudo procura-se um melhor entendimento dos fenômenos físicos resultantes das interações das fases com diferentes escalas de interfaces, além da geração de dados para validação de modelos numéricos para este padrão de escoamento. Neste estudo, procura-se reproduzir a dinâmica do escoamento em padrão slug real ar?água em um duto vertical. Para tal propósito, desenvolveu-se uma bancada experimental que permite a geração de um escoamento em padrão de bolhas em um duto vertical, no qual são injetadas as bolhas de Taylor, com o tamanho controlado. Foi utilizada a técnica de PIV, em conjunto com uma instrumentação usando emissor de laser e fotocélula, que permite capturar as imagens de PIV das bolhas de Taylor sempre nas mesmas posições, além de fornecer o comprimento e velocidade das bolhas de Taylor. Tal instrumentação, que sincroniza a captura das imagens de PIV com a passagem das bolhas de Taylor, permitiu a obtenção de um grande número de medidas de campos de velocidades ao redor das mesmas, o que permitiu a avaliação do campos médios (média das realizações) do escoamento ao redor da bolha de Taylor, para diversas situações, incluindo líquido estagnado e escoando, com e sem presença de bolhas dispersas. Resultados comparando os perfis de velocidade são apresentados para diferentes valores da fração volumétrica da fase dispersa. Foi também realizado um estudo qualitativo através de câmera de alta velocidade, da interação das bolhas de Taylor e bolhas dispersas, procurando correlacionar os fenômenos físicos com os resultados obtidos através de PIV. Os resultados indicam uma influência significativa da fase dispersa na estrutura do escoamento ao redor das bolhas de Taylor, mostrando que estudos numéricos e experimentais considerando apenas uma bolha de Taylor isolada, podem não ser representativos do escoamento em padrão slug.<br>

Abstract : The slug flow pattern has large occurrence in industrial applications. Particularly in the oil and gas, it is very frequently encountered in production and transport pipelines. The key feature of the slug pattern is the presence of Taylor bubbles, which have an elongated shape, followed by a slug of liquid which usually contains entrained dispersed bubbles. The present work aims the study, in a fundamental way, the behavior of a slug flow pattern, intending the characterization of the flow around Taylor bubbles in stagnant fluid, in co-current with no dispersed bubbles and co-current in the presence of dispersed bubbles, being the latter, the most representative case of a real slug flow, and which is considered to be the main contribution of this work. This study will provide a better understanding of physical phenomena arising from the interactions of phases with different interface scales, as well as the generation of data for the validation of numerical models for this flow pattern. This study aims to reproduce the flow dynamics in real slug pattern of air-water flow in a vertical duct. For this purpose, it was developed an experimental apparatus that allows the generation of a bubbly flow pattern in a vertical duct in which the Taylor bubbles are injected with controlled size. The PIV technique was used in conjunction with an instrumentation using laser diode and photocell that enables the capture of images of the Taylor bubbles always in the same position, and provides the length and speed of Taylor bubbles. This instrumentation, used to synchronize the PIV capture with the passage of Taylor bubbles allowed the measurement of the flow fields around several bubbles, enabling the evaluation of the ensemble average of flow fields around them, for various situations, including stagnant and flowing liquid, with and without dispersed bubbles. Results comparing velocity profiles, for different values of void fraction of the dispersed phase are presented. A qualitative study was also conducted using high-speed camera, the interaction of Taylor bubbles and dispersed bubbles, in attempting to correlate physical phenomena with the results obtained by PIV. The results indicate a significant influence of the dispersed phase on the structure of the flow around the Taylor bubbles phase, showing that numerical and experimental studies considering only isolated Taylor bubbles may not be representative of the slug flow pattern.