[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.

[pt] No presente trabalho estudou-se numericamente a instabilidade das ondas na interface do escoamento estratificado de água e óleo em um canal plano. Esse padrão de escoamento, associado ao estágio inicial da formação de golfada, é comum em aplicações industriais, de áreas como produção de petróleo, nuclear, química e muitas outras. Através da introdução de perturbações controladas na interface do escoamento estratificado, analisou-se a evolução dessas perturbações à luz das teorias de estabilidade hidrodinâmica. Os experimentos numéricos foram realizados utilizando o método de Volume of Fluid (VOF) do simulador comercial ANSYS Fluent versão 15.0. Analisou-se o comportamento do escoamento em dois regimes distintos com relação a amplitude das ondas interfaciais. No primeiro regime, empregaram-se ondas pequenas o suficiente para que efeitos não lineares fossem desprezíveis. Os resultados obtidos apresentaram boa concordância com as previsões fornecidas por um solver das equações de Orr-Sommerfeld, para escoamento bifásico estratificado em um canal, indicando que a ferramenta numérica foi capaz de reproduzir o comportamento das ondas interfaciais. Mostrou-se que existe uma faixa de amplitudes, em torno de 0,2 porcento da altura do canal, a partir da qual os efeitos não lineares se tornam relevantes. No regime não linear foram avaliados diferentes cenários de interação não linear entre ondas, os quais geralmente são associados a transição do regime do escoamento estratificado para golfadas. Identificou-se o cenário mais relevante, analisando-se,a eficiência de cada uma dessas interações isoladamente. Observou-se que interações não lineares entre ondas de comprimento parecido são as que crescem mais rapidamente. Esse mecanismo parece ser dominante também na presença de um grande número de ondas, como é o caso esperado em um evento natural. Utilizou-se um modelo fracamente não linear, baseado nas equações de Stuart-Landau, para modelar o comportamento das ondas no escoamento, obtendo-se excelente concordância com os resultados das simulações. Isso é interessante do ponto de vista prático, pois sugere que modelos não lineares simples, como é o caso da equação de Stuart-Landau, podem ser implementados para melhorar as ferramentas utilizadas para prever mudanças de regime em escoamentos bifásicos. / [en] In the present work, the instability of waves at the interface of the stratified flow of water and oil in a plane channel was numerically studied. This flow pattern, which is associated with the initial stages of slug formation, is common in industrial application in areas such as oil production, nuclear, chemical and many others. Through the introduction of controlled perturbations at the interface of a stratified flow, the evolution of the perturbations was analyzed based on hydrodynamics stability theories. Numerical experiments were performed using the Volume of Fluid (VOF) method of the ANSYS Fluent release 15.0 commercial simulator. The behavior of the flow in two different regimes with respect to the amplitude of the interfacial waves was analyzed. In the first regime, small enough waves were employed so that non-linear effects were negligible. The results obtained presented good agreement with the predictions provided by a solver of the Orr-Sommerfeld equations for stratified two-phase flow in a channel, indicating that the numerical tool was able to reproduce the behavior of the interfacial waves. It was shown that there is a range of amplitudes, around 0.2 per cent of the channel height, above which the non-linear effects become relevant. In the nonlinear regime, different scenarios of nonlinear interaction between waves, which are usually associated with transition from stratified flow pattern to slug flow, were evaluated. The most relevant scenario was identified, based on the efficiency of each independent interaction. It was observed that non-linear interactions between waves of similar length present the fastest growth. This mechanism seems to be dominant also in the presence of a large number of waves, as present in natural events. A weakly nonlinear model, based on the Stuart- Landau equations, was employed to model the wave behavior in the flow, obtaining an excellent agreement with the results of the simulations. This is interesting from a practical point of view, since it suggests that simple nonlinear models, such as the Stuart-Landau equation, can be implemented to improve the tools used to predict regime changes in two-phase flows.