Estudo do efeito da inclinação no escoamento bifásico em canal retangular com dimensões características da transição entre micro- e macro-escala

• Main Author: Francisco Antonio Loyola Lavín
• Other Authors: Gherhardt Ribatski
• Language: Portuguese
• Published: Universidade de São Paulo 2015
• Subjects: Escoamento bifásico; Fração de vazio; Padrões de escoamento; Perda de pressão; Flow patterns; Pressure drop; Two-phase flow; Void fraction
• Online Access: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/18/18147/tde-15102015-084027/

A presente dissertação de mestrado envolve o estudo da perda da pressão e dos padrões para escoamentos água/ar em um canal retangular segundo inclinações a partir do plano horizontal de -90° a 90°. Também foi avaliado o efeito nestes parâmetros de rotacionar a seção de testes em torno de seu eixo axial segundo ângulos de 45° e 60°, determinados a partir da condição de suas faces superior e inferior posicionadas horizontalmente. O texto se inicia com a apresentação de um amplo estudo da literatura sobre métodos de previsão de padrões de escoamento e perda de pressão durante escoamentos bifásicos no interior de dutos. Em seguida é descrito o aparato experimental projetado e construído para este estudo. Tal descrição inclui o detalhamento da seção de testes, que consiste em um canal retangular de seção transversal com dimensões de 6,0 x 6,5 mm². Resultados foram levantados para vazões mássicas entre 90 e 760 kg/m²s, correspondendo a velocidades superficiais entre 0,03 a 19,42 m/s e 0,1 a 0,76 m/s, para, respectivamente as fases gás e líquido. Mapas de escoamento foram desenvolvidos com base em imagens capturadas por câmera de alta velocidade, e também com base na técnica de agrupamento de dados k-means. Os escoamentos foram classificados segundo os padrões bolhas, intermitente e anular. As características hidrodinâmicas e as transições entre estes padrões foram significativamente alteradas pela inclinação do canal. Constatou-se também significativa influência da rotação em torno do eixo do canal, favorecendo efeitos de estratificação no escoamento. As transições obtidas experimentalmente foram comparadas com os métodos de previsão disponíveis na literatura. Os métodos de Taitel e Dukler (1976), para escoamento horizontal, e Taitel et al. (1980) para escoamento vertical ascendente, apresentaram as melhores previsões dos dados experimentais. Com o objetivo de estimar a parcela gravitacional da perda de pressão, levantou-se resultados para a fração de vazio superficial avaliada com base na velocidade média de bolhas alongadas e no tratamento de imagens no caso do escoamento em bolhas. Resultados de perda de pressão por atrito foram comparados com vinte métodos de previsão da literatura. As correlações de Mishima e Hibiki (1996) e Zhang et al. (2010) proporcionaram as melhores previsões para escoamento horizontal. Para escoamentos inclinados, comparou-se 25 métodos da literatura para a determinação da perda de pressão por atrito com os resultados de perda de pressão experimentais, com a perda de pressão gravitacional estimada considerando 20 métodos para a fração de vazio superficial. Desta análise constatou-se que a combinação dos métodos de Mishima e Hibiki (1996) e Zhang et al. (2010) para a previsão da parcela de perda de pressão devido ao atrito e o método de Spedding e Chen (1984) para previsão da fração de vazio superficial, utilizado para a determinação da parcela gravitacional, proporcionam previsões satisfatórias dos dados experimentais. === The present dissertation concerns a study on pressure drop and flow patterns for air/water flows inside a rectangular channel positioned according to inclination angles, relative to the horizontal plane, from -90° to 90°. The effects on flow patterns and pressure drop of rotating the test section relative to its longitudinal axis according to angles of 45° and 60° are also evaluated. Initially, a broad review of the literature concerning experimental studies and predictive methods for flow pattern and pressure drop inside channels is presented. Then, the experimental facility developed for this study is described. In this description, the test section, consisting of a rectangular channel with cross-sectional area of 6.0 x 6.5 mm² is detailed. Experimental data were obtained for mass velocities from 90 to 760 kg/m²s, corresponding to gas and liquid superficial velocities from 0.03 to 19.4 m/s and from 0.1 to 0.76 m/s, respectively. Flow patterns maps were developed based on the following approaches: analyses of two-phase flow images from a high speed video camera; and using the k-means clustering algorithm based on pressure drop and optical signals. The bubbly, intermittent and annular flow patterns were characterized. From the analyses of the data, it was found that the flow pattern transitions are significantly affected by the flow inclination and channel rotation. Two-phase flow stratification effects are enhanced by rotating the channels. Among the flow pattern predictive method evaluated in the present study, Taitel and Dukler (1976), for horizontal channels, and Taitel et al. (1980), for upward flow, provided the best predictions of the data obtained in the present study. In order of estimating the gravitational parcel of the pressure drop, superficial void fraction results were obtained based on the mean velocity of elongated bubbles, for intermittent flow, and on the image processing of bubbles, for bubbly flow. Experimental results for frictional pressure drop were compared against 20 predictive methods available in the literature. The methods of Mishima e Hibiki (1996) and Zhang et al. (2010) performed the best for horizontal flows. The frictional pressure drop predictions were also evaluated for inclined flows by comparing the measured total pressure drop against the corresponding calculated values based on the combination of 25 frictional pressure drop predictive methods and the gravitational parcel of pressure drop estimated according to 20 predictive methods for superficial void fraction. From this analysis, it was found that the combination of Mishima e Hibiki (1996) and Zhang et al. (2010) methods for frictional pressure drop with the method of Spedding e Chen (1984), for void fraction, used to determine the gravitational parcel, provide satisfactory predictions of the experimental data.