Caracterização experimental da estrutura do escoamento em padrão de bolhas em uma seção convergente-divergente através de PIV e PTV

Abstract

Escoamentos bifásicos gás-líquido estão presentes em inúmeras aplicações industriais, em especial na indústria química e de petróleo e gás. Dentre os diversos padrões de escoamentos multifásicos gás-líquido, o escoamento em padrão de bolhas é um dos mais frequentemente encontrados em sistemas industriais e ocorre em baixas velocidades superficiais de gás, na qual a fase gasosa se encontra na forma de bolhas dispersas. Embora existam diversos trabalhos na literatura abordando o escoamento em padrão de bolhas em dutos, poucos autores têm dado atenção a esse tipo de escoamento em geometrias complexas como, por exemplo, dutos de seção variável e outras constrições, onde a mistura bifásica experimenta acelerações significativas. Assim sendo, o presente trabalho possui um caráter fundamental, e seu objetivo é compreender, através de um estudo experimental a estrutura do escoamento em padrão de bolhas em uma seção convergente-divergente que tem como principal característica a aceleração local experimentada por ambas as fases, assim como avaliar a estrutura da turbulência nesse escoamento. Duas técnicas de medição foram usadas para obter informações de ambas as fases. A velocidade da fase líquida foi medida pela técnica de Velocimetria por Imagem de Partículas, utilizando partículas traçadoras fluorescentes (PIV/LIF). A Velocimetria por Rastreamento de Partículas (PTV) foi utilizada para obter as velocidades médias das bolhas dispersas. A presença das bolhas dispersas introduz enviesamento nas velocidades da fase líquida através do PIV/LIF, devido à reflexão da luz pelas partículas nas interfaces. Desta forma, foi empregado o método de discriminação de fases para remover a contribuição da fase gasosa dispersa nos resultados da velocidade do líquido, baseado na análise das imagens de PIV e detecção das regiões ocupadas pela fase gasosa. Este algoritmo foi desenvolvido no grupo de pesquisa e adaptado para a geometria utilizada neste estudo. Os resultados mostraram que a presença da fase dispersa tem forte influência sobre o campo de velocidade da fase líquida, mudando completamente a estrutura do escoamento bifásico em relação ao caso monofásico. Esse efeito se torna mais evidente para menores velocidades superficiais da fase líquida. Nos casos de maiores velocidades superficiais de líquido, foi observado que as fases recuperam parcialmente as velocidades após a seção divergente. Além disso, há um aumento significativo nas flutuações de velocidade no escoamento de bolhas, quando se compara com o caso monofásico, sendo mais intenso na seção divergente, onde há um gradiente de pressão adverso.

Abstract: Liquid-gas two-phase flows are present in numerous industrial applications, especially in the chemical and oil and gas industries. Among the various patterns of liquid-gas two-phase flows, bubble pattern flow is one of the most frequently found in industrial systems and occurs at low superficial gas velocities, in which the gas phase is in the form of dispersed bubbles. Although there are several studies in the literature addressing the flow in bubble patterns in pipelines, few authors have paid attention to this type of flow in complex geometries, such as variable section ducts and other contractions, where the two-phase mixture experiences significant accelerations. Therefore, the present work has a fundamental feature, and its objective is to understand, through an experimental study the flow structure in bubbles pattern in a convergent-divergent section that has as main characteristic the local acceleration experienced by both phases, as well as to evaluate the turbulence structure in this flow. Two measurement techniques were used to obtain information from both phases. The velocity of the liquid phase was measured by the Particle Image Velocimetry technique, using fluorescent tracer particles (PIV/LIF). Particle Tracking Velocimetry (PTV) was used to obtain the average velocities of the dispersed bubbles. The presence of dispersed bubbles introduces bias in the measurements of the velocities of the liquid phase through the PIV/LIF, due to the reflection of the light by the particles at the interfaces. Thus, the phase discrimination method was used to remove the contribution of the dispersed gas phase in the results of the liquid velocity, based on the analysis of the PIV images and detection of the regions occupied by the gas phase. This algorithm was developed in the research group and adapted to the geometry used in this study. The results showed that the presence of the dispersed phase has a strong influence on the velocity field of the liquid phase, completely changing the two-phase flow structure in relation to the single-phase case. This effect becomes more evident for lower superficial velocities of the liquid phase. In cases of higher superficial liquid velocities, it was observed that the phases partially recover the velocities after the divergent section. In addition, there is a significant increase in speed fluctuations in the flow of bubbles, when comparing it with the single-phase flow, being more intense in the divergent section, where there is an adverse pressure gradient.