Estudos de modelos para a forma das bolhas em um escoamento intermitente padrão golfadas

Abstract

Resumo: A forma geométrica para uma bolha de Taylor em um escoamento bifásico padrão pistonado intermitente em tubulações horizontais ou levemente inclinadas é investigado. A partir das equações de conservação de quantidade de movimento para o gás e o líquido escrita na forma unidimensional, uma equação diferencial para a variação da altura do filme e/ou da fração de líquido no filme é obtida e resolvida numericamente. A equação resultante representa o balanço de forças que contabiliza as forças devido as tensões de cisalhamento do líquido e do gás e da interface, da inércia do liquido e do gás, da variaçãode pressão hidrostática devido a variação da altura do filme e da ação gravitacional, caso a tubulação não seja horizontal. A equação resultante é comparada com modelos propostos na literatura, sendo reduzida a esses caso as simplificações impostas para cada modelo seja aplicada. Uma análise da influência de cada termo que compõem a equação é realizada para se verificar a importância de cada termo no formato da bolha, sendo obtido que os termos mais importantes são os referentes ao líquido (inércia, hidrostática e tensão). Os resultados obtidos com os modelos para a forma geométrica da bolha são comparados contra dados experimentais obtidos para dois pares de fluido distintos, sendo um composto por água e ar e o outro por uma mistura de água e glicerina (de viscosidade 5 2,3 10- · m²/s) e ar. A análise dos dados experimentais mostrou que a forma da bolha só depende da velocidade de mistura das fases, não dependendo das velocidades superficiais de cada fase individualmente. A capacidade de previsão dos modelos se mostrou muito sensível a velocidade da bolha. Excetuando-se alguns casos em particular, os modelos apresentaram a mesma capacidade preditiva não havendo diferenças significativas entre eles.

Abstract: The geometric form for Taylor’s bubble in two-phase slug flow in horizontal and near horizontal pipes is investigated. Using the integral form of the mass and momentum conservation equations of each phase, a differential equation for liquid height and/or liquid fraction in the film region is obtained and solved numerically. This equatio nrepresents the balance between the forces due to: shear stress in the wall and the gas liquid interface, the liquid and gas inertia, the hydrostatic pressure caused by liquid height variation and due to gravitational forces, if the tube is non horizontal. The resulted equation reduces to other models proposed in the literature if the corresponding simplifications are applied. An analysis of the influence on the bubble shape of each termin the derived equation is performed, showing that the most important terms are those related to the liquid phase (inertia, pressure and shear stress). The results for the studied models are compared with experimental data obtained for two pairs of fluid. One par is composed by water and air and the other one is composed by a mixture of water and glycerin (with viscosity 5 2,3 10- · m²/s) and air. The experimental result shows that the bubble shape depends only of phase mixture velocity, independently of surface velocity of each phase. Numerical analysis shows that bubble velocity is determinant in models prevision capacity. All models predict well the bubble shapes for most of the tested cases, with no significant difference between them.