[pt] CARACTERIZAÇÃO EXPERIMENTAL DE ONDAS INTERFACIAIS EM ESCOAMENTO ESTRATIFICADO TURBULENTO GÁS-LIQUIDO UTILIZANDO VELOCIMETRIA POR IMAGEM DE PARTÍCULA

• Other Authors: IGOR BRAGA DE PAULA
• Language: en
• Published: MAXWELL 2020
• Subjects: [pt] ESCOAMENTO BIFASICO; [en] TWO-PHASE FLOW; [pt] VELOCIMETRIA POR IMAGEM DE PARTICULAS; [en] PARTICLE IMAGE VELOCIMETRY; [pt] ESTABILIDADE LINEAR; [en] LINEAR STABILITY; [pt] ONDAS INTERFACIAIS; [en] INTERFACIAL WAVES
• Online Access: https://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/Busca_etds.php?strSecao=resultado&nrSeq=48186@1; https://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/Busca_etds.php?strSecao=resultado&nrSeq=48186@2; http://doi.org/10.17771/PUCRio.acad.48186

[pt] A ocorrência do escoamento slug em tubulações horizontais é de especial interesse para a indústria de petróleo devido aos riscos operacionais indesejados associados a esse padrão de escoamento. Portanto, nas últimas décadas um intenso esforço foi dedicado ao estudo e modelagem do escoamento slug. Ferramentas preditivas baseadas na estabilidade linear de Kelvin-Helmhotz foram amplamente desenvolvidas na literatura para prever a transição para esse regime de escoamento. Esses modelos são derivados da análise de estabilidade modal de perturbações bem definidas. No entanto, para escoamento em tubulação, um número bastante limitado de estudos experimentais dedicados para investigação da evolução de perturbações que originem o regime slug está disponível. Além disso, estudos a partir da introdução de perturbações bem definidas, que podem fornecer informações precisas para validação de modelos e simulações numéricas, foram encontrados. O presente trabalho abordou o problema da transição para o regime slug a partir da caracterização da evolução de ondas interfaciais. Essas perturbações controladas foram excitadas com um modo de geração na interface do escoamento estratificado utilizando uma placa oscilatória. O trabalho se concentra na caracterização de ondas interfaciais no regime linear, que corresponde ao regime de estudo da maioria dos modelos disponíveis na literatura. Portanto, um limiar de amplitude para ondas lineares foi estimado experimentalmente. O acionamento da placa oscilatória foi sincronizado com as aquisições de imagens, permitindo medições sincronizadas em fase. As medições do campo de velocidade foram realizadas usando a técnica de Velocimetria de Imagem de Partículas (PIV) e Iluminação de Fundo (Shadowgraphy). O perfil de velocidade e turbulência do escoamento foram medidos simultaneamente nas fases do liquido e do gás. A sincronização em fase permitiu a extração do perfil de flutuação de velocidade coerentes as ondas interfaciais. Os resultados obtidos são originais e mostraram, pela primeira vez na literatura, que os modos interfaciais em ambas as fases são quase independentes dos modos cisalhantes, dentro da faixa de parâmetros abordados neste trabalho. A caracterização de ondas não lineares foi brevemente investigada, indicando mudanças no perfil do escoamento médio. Além disso, foi obtida uma correlação para o fator de atrito das ondas interfaciais, levando a uma melhoria na estimativa da altura do líquido e da perda de carga do tubo quando combinadas nas relações de fechamento dos modelos 1-D. A metodologia experimental proposta neste trabalho é uma ferramenta valiosa para produzir informações precisas que podem ser usadas para validar e aprimorar modelos teóricos e simulações numéricas. O estudo pode contribuir para a compreensão dos mecanismos físicos envolvidos na transição do escoamento estratificado para slug. === [en] The occurrence of slug regime in horizontal pipelines is of special interest for the oil and gas industry due to the unwanted operational risks associated with this flow. Hence, an intense effort has been devoted to the study and to model this flow regime. Predictive tools based on linear Kelvin-Helmhotz stability have been widely applied in the literature for prediction of slug onset. These models are derived from stability analysis of well-defined disturbances. However, for pipe flows, a limited number of experimental studies devoted to investigate the evolution of disturbances that lead to the initiation of slugs is available. In addition, no studies are found using of well define disturbances, which could provide accurate information for validation of models and numerical simulations. The present work addresses the problem by the studying of the evolution of controlled waves excited at the liquid interface. To this end, an oscillating paddle was employed. The work focuses the characterization of interfacial waves within the linear regime, which correspond to the regime of most models available in the literature. The amplitude threshold for linear waves was experimentally estimated. The driving signal of the oscillating paddle was synchronized with image acquisitions, enabling phase locked measurements of the waves and hence the use of ensemble averaging techniques. Phase-locked measurements of the velocity field in the liquid and gas layers were performed using off-axis Particle Image Velocimetry (PIV) technique and Shadowgraph. Mean flow, streamwise and wall normal fluctuations were measured simultaneously in the liquid and gas phases. For a range of flow rates and exciting wave frequencies the combined techniques employed allowed the extraction from the measured velocity fields, the coherent part of flow fluctuations related with the exciting waves. The results obtained have shown, seemingly, for the first time, that interfacial modes in both phases are nearly independent of near wall disturbances within the range of parameters covered in this work. Characterization of nonlinear waves was briefly investigated indicating changes in the mean velocity. Moreover, a correlation for wave friction factor based on wave and flow parameters was obtained, leading to an improvement on the liquid heightand pipe head loss estimation when are combined into the closure relations used for the 1-D models. The experimental methodology proposed in this work is a valuable tool to produce accurate information that can be used to validate and improve theoretical models and numerical simulations. It can contribute to the understanding of the physical mechanisms involved in the transition from stratified to slug flows.