Experimental and numerical investigation of gas-liquid flows in the presence of Taylor and dispersed bubbles

Abstract

Escoamentos multifásicos desempenham um papel importante em processos industriais, especialmente na indústria química e de petróleo. Escoamentos desse tipo podem ocorrer em linhas horizontais, verticais e inclinadas, abrangendo inúmeras áreas e processos de engenharia, como por exemplo o projeto de equipamentos para transporte de fluidos, sistemas de medição em linhas, produção de petróleo e gás, sistemas de arrefecimento, etc. Em geral, escoamentos bifásicos líquido-gás podem apresentar diferentes padrões, afetando de modo complexo a sua hidrodinâmica e também a transferência de calor e de massa. Devido à complexidade dos diferentes padrões de escoamento presentes em situações reais, um grande esforço é dedicado a melhor compreensão de escoamentos bifásicos líquido-gás, em especial aqueles com diferentes escalas de interface. Nos últimos anos, a fluidodinâmica computacional (Computational Fluid Dynamics, CFD em inglês) tornou-se uma ferramenta importante, permitindo uma análise detalhada dos mecanismos físicos que regem o fenômeno. O objetivo do presente trabalho consiste em um estudo numérico e experimental em escoamentos gás-líquido com diferentes escalas de interface. O estudo será realizado a partir da análise de um escoamento bifásico do tipo pistonado (slug, em inglês) manufaturado, produzido a partir da injeção independente de bolhas de Taylor e bolhas dispersas em uma corrente de líquido. Desse modo, em um mesmo domínio é possível produzir, de forma controlada, um escoamento bifásico com diferentes escalas de interface. Para o estudo experimental foram desenvolvidas técnicas experimentais e de processamento de imagem para caracterização experimental do escoamento através das técnicas de PIV (Particle Image Velocimetry) e de filmagem por câmera rápida, permitindo uma análise detalhada dos fenômenos de interação entre as diferentes escalas de interface. Além disso, foi realizada a implementação de um modelo de CFD multi-escala baseado no acoplamento entre o método Volume-of-Fluid (VOF) e Discrete Bubble Method (DBM), sendo o primeiro utilizado para modelagem da interface de grande escala e o último para as bolhas dispersas. O modelo VOF-DBM desenvolvido foi utilizado para a realização de um estudo numérico em escoamentos bifásico com diferentes escalas de interface.

Abstract: Multiphase flows play an important role in natural and industrial processes, especially in the chemical and oil industry. This sort of flow can occur in horizontal, vertical and inclined pipelines and equipment as separators, heat exchangers, pumps, valves, etc., covering numerous areas and engineering processes. In general, two-phase liquid-gas flows can present different geometric arrangements or morphologies. Due to the complexity of the different flow patterns present in real situations, great effort is devoted to a better understanding of liquid-gas two-phase flows, especially those with different interface scales. In recent years, Computational Fluid Dynamics (CFD) has become an important tool, allowing a detailed analysis of the physical mechanisms that govern multiphase flows. The objective of the present work consists of a numerical and experimental study on gas-liquid flows with different interface scales. Thus, the manufactured ?quasi-real? slug flow regime, similar to the slug flow is studied, through the independent injection of Taylor bubbles in a bubbly flow stream. Through this manufactured flow regime, it is possible to reproduce, in a controlled way, a two-phase flow with different interface scales. For the experimental study, novel image processing techniques and apparatus were developed for the flow characterization through the Particle Image Velocimetry (PIV) and high-speed camera techniques, allowing a detailed analysis of the interaction phenomena between the different interface scales. In addition, a multi-scale CFD model was implemented based on the coupling between the Volume-of-Fluid (VOF) and Discrete Bubble Method (DBM), with the first being used for modelling the large-scale interface and the last for the small dispersed bubbles. The developed VOF-DBM model was used to perform a numerical study on two-phase flows with different interface scales.