[pt] O fato que a dissolução de pequenas quantidades de polímero de cadeias moleculares longas em fluxo turbulento através dutos reduz drasticamente o atrito, é conhecido há muitos anos. No entanto, muitos aspectos fundamentais deste fenômeno ainda não são bem compreendidos, particularmente os mecanismos de interação entre o polímero e o solvente. O presente trabalho descreve os resultados de um estudo voltado para fornecer informações detalhadas sobre as características da turbulência no escoamento de água com aditivo polimérico através de tubos. Para isto, foram realizados experimentos para medir o campo instantâneo de velocidade em uma seção longitudinal de um tubo, empregando a técnica de Velocimetria de Partículas por Imagem, PIV, em sua versão bidimensional. As grandezas estatísticas turbulentas foram obtidas a partir de uma série de 2.500 campos instantâneos de velocidade medidos para cada configuração de escoamento caracterizada pelo número de Reynolds e pela concentração de polímero em água. Foram medidos campos de velocidade média, de flutuações de velocidade dadas por valores RMS e perfis de tensão turbulenta. Especial atenção foi dedicada ao projeto da seção de testes, de modo a minimizar as distorções de imagem junto à parede do tubo. Na região de visualização, a parede do tubo foi usinada com uma espessura de 500 μm para minimizar a refração óptica da superfície curva. Esta tubulação de paredes finas, em combinação com uma caixa de acrílico preenchida com água posicionada ao redor do tubo, permitiu medições de velocidade com a técnica PIV em posições a cerca de 250 μm da parede do tubo, o que equivale a menos de 10 unidades em coordenadas de parede. A análise dos campos de deslocamento das partículas traçadoras nas imagens capturadas empregou uma combinação da técnica PIV clássica com técnicas de acompanhamento de partículas, resultando em medidas com resolução espacial substancialmente melhorada. Os testes foram conduzidos para uma faixa de números de Reynolds de 23000 a 80000, e para 20 ppm de concentração de polímero Superfloc A110 em água. As medidas da queda de pressão indicaram reduções no coeficiente de atrito da ordem de 50%. Os resultados obtidos demonstraram que a presença do aditivo polimérico produz alterações na estrutura do escoamento turbulento junto à parede, o que se reflete em mudanças na camada de amortecimento do perfil de velocidade. / [en] The fact that dissolving a minuscule amount of long-chain polymer molecules in a turbulent pipe flow reduces drastically the frictional drag, has been known for many years. However, many fundamental aspects of this phenomenon are still not well understood, particularly the mechanisms of interaction between the polymer and the solvent. The present paper describes the results of an ongoing project aimed at providing detailed information on the turbulence characteristics of turbulent pipe flow of water with polymer additive. To this end, an experimental program was conducted for measuring the instantaneous longitudinal velocity field employing a two-dimensional Particle Image Velocimetry technique – PIV. Turbulence statistics were obtained from a series of approximately 2500 instantaneous velocity fields measured for each flow configuration characterized by the pipe Reynolds number and the polymer concentration. Profiles of Time-averaged velocity, RMS velocity fluctuations and turbulent shear stresses were measured. Special attention was dedicated to the test section design so as to minimize image distortions close to the pipe wall. At the visualization region, the pipe wall was machined to a thickness of 500 μm to minimize optical refraction of the curved surface. This thin-walled pipe in combination with a plexiglass box filled the water surrounding the pipe, allowed for PIV velocity measurements at approximately 250 μm from the pipe wall, which is equivalent to less than 10 wall units. A combination of classical PIV with particle tracking techniques was employed in the analysis of the particle displacements, what substantially enhanced the spatial resolution of the measurements. Tests were conducted for a Reynolds number range from 23000 to 80000, and for 20 ppm of Superfloc A110 polymer in water. Wall pressure measurements indicated reductions in the friction factor of the order of 50%. The results obtained demonstrated that the presence of the polymer additive alters the turbulence structure at the wall, what produces a shift in the buffer layer of the velocity profile.

[pt] O presente trabalho é um estudo experimental sobre o escoamento laminar de óleos pesados através de dutos longos isolados termicamente e que apresentam forte dependência da viscosidade com a temperatura. O objetivo do estudo é identificar e interpretar o comportamento verificado em operações de campo onde a dependência da queda de pressão ao longo do duto com a vazão afasta-se significativamente da relação linear esperada para escoamentos hidrodinamicamente desenvolvidos. Para o estudo foi montado um experimento em escala de laboratório utilizando como fluido de trabalho uma solução de glicerina e água, que apresenta forte dependência da viscosidade com a temperatura. A solução quente de glicerina era bombeada por um tubo longo imerso em um meio refrigerado. A troca de calor do fluido com o ambiente frio produzia gradientes de temperatura radiais e axiais associados a fortes variações da viscosidade. Os experimentos conduzidos revelaram uma relação linear entre a vazão e a queda de pressão ao longo do duto para baixos e altos valores da vazão. No entanto, para valores intermediários da vazão, a relação entre vazão e queda de pressão afasta-se do comportamento linear, deixando de apresentar uma relação monotônica. Nesta região intermediária, os mesmos valores de queda de pressão foram observados para vazões de ordem de grandeza diferentes. Medidas de perfis radiais de temperatura e velocidade axial foram realizadas para duas diferentes posições axiais no duto. Sondas de termopar e a técnica de velocimetria laser- Doppler foram utilizadas neste estudo. Os perfis de temperatura apresentaram forte assimetria como decorrência da presença de escoamentos secundários originados por convecção natural. Os perfis de velocidade axial foram pouco afetados pelos escoamentos secundários. Acredita-se que o impacto observado na tensão cisalhante na parede e, portanto, na queda de pressão, esteja associado à forte variação da viscosidade junto à parede fria, e não às variações do gradiente de velocidade na parede que não se mostraram significativas. Os resultados experimentais foram comparados com simulações numéricas tridimensionais e unidimensionais fornecidas por outros pesquisadores. A relação de queda de pressão com a vazão foi bem modelada por ambos os modelos. Os perfis radiais de velocidade foram bem previstos pelo modelo tridimensional, ao contrário dos perfis radiais de temperatura que se afastaram das medições. / [en] The present work is an experimental study of laminar flows through long, thermally insulated pipes of heavy oils that present strong dependence of viscosity on temperature. The objective of the study was to reproduce and understand the behavior reported in field operations where the dependence of the pressure drop on the flow rate deviates significantly from the linear relationship expected for hydrodynamically fully developed flow. To this end, a laboratory-scale experiment was constructed employing as working fluid a glycerol-water solution displaying a strong dependence of viscosity on temperature. In the experiments, the heated glycerol solution was pumped through a long isolated pipe immersed in a cold environment. The heat exchange with the cold environment produced radial and axial thermal gradients in the fluid yielding strong viscosity variations. For the low and high ranges of the flow rate the experiments revealed a linear relationship between flow rate and pressure drop from the inlet to the exit of the test section. However, for intermediate values of the flow rate, the relationship between flow rate and pressure drop deviated from the linear behavior. Further, this relationship ceased to be monotonic. In this intermediate flow rate region, the same pressure drop values were measured for flow rates values differing in orders of magnitude. Radial profiles of temperature and axial velocity were measured at different axial positions along the pipe. Thermocouple probes and the laser- Doppler velocimetry technique were employed in this study. Temperature profiles displayed strong asymmetry as a consequence of the presence of secondary flows induced by natural convection. The axial velocity profiles were little affected by the secondary flows. It is believed that the impact observed on the wall shear stress and, as a consequence, on the pressure drop, are associated with the strong viscosity variations close to the cold pipe wall, and not with the variations of the velocity gradient at the wall that were seen to be not too significant. The experimental results obtained were compared with one and tri-dimensional numerical solutions developed by other researchers. The relationship between pressure drop and flow rate was well predicted by both numerical models. The radial velocity profiles were well predicted by the tri-dimensional calculations, while the temperature profiles predictions were seen to deviate from the experiments.

[pt] O escoamento entre cilindros concêntricos com rotação do cilindro interno com a imposiçãao de um gradiente axial de pressão foi estudado experimentalmente. A razão de raios era (n)= 0, 64 e razão de aspecto era (r) = 265. O fator de atrito e campos de velocidade foram estudados para quatro rotações diferentes do cilindro interno e para os três regimes de escoamento, laminar, transição laminar- turbulento, e turbulento. Os Campos de velocidades foram obtidos através da técnica de Velocimetria por Imagem de Partículas (PIV). Os resultados para os fatores de atrito revelaram que a influência da rotação é mais pronunciada para regimes laminares e de transição. Para estes dois regimes o aumento observado foi de 100% de f/f0. Para o regime de escoamento turbulento, o aumento foi decrescendo gradativamente até o valor de 10% de f/f0 para Reaxial = 8458. Os campos de velocidade instantâneos relevaram padrões complexos do escoamento. Os perfis de velocidade axial médios tomavam uma forma achatada com o aumento da rotação do cilindro interno e do número de Reynolds axial. Para o regime de escoamento turbulento a influência da rotação do cilindro nos perfis de velocidade era pequena. / [en] The flow between concentric cylinders with an inner rotating cylinder with an imposed pressure-driven axial flow was studied experimentally. The radius ratio was (n) = 0, 64 and the aspect ration was (r) = 265. Friction factor and velocity fields were studied for four rotations of the inner cylinder and for laminar, transitional, and turbulent flow. Velocity fields were measure by Particle Image Velocimetry (PIV). The results for friction factor showed that the influence of the rotation is more apparent for laminar and transitional flow, increasing with the rotation of the inner cylinder. For these two flows, the increasing was 100% of f/f0. For turbulent flow, the increasing was gradualy decreasing to 10% of f/f0 for Reaxial = 8458. Instantaneous velocity fields showed complex flow patterns. The time average axial velocity profiles showed a top hat like form with the increasing of inner cylinder rotation and axial Reynolds numbers. For turbulent flow, the influence of rotation in the velocity profiles was small.

[pt] O presente trabalho investigou a queda de pressão em escoamento através de um espaço anular com rotação do cilindro interno. A motivação para o trabalho veio da aplicação desta configuração em diversas situações de interesse industrial, como reatores químicos catalíticos, filtros e nas operações de perfuração de poços produtores de petróleo e gás. O estudo realizado foi conduzido em uma seção de testes especialmente projetada e construída, formando um espaço anular com razão de raios de 0,65 e com um comprimento de 256 diâmetros hidráulicos, suficiente para garantir o desenvolvimento hidrodinâmico do escoamento nos regimes laminar e turbulento. O trabalho investigou a queda de pressão ao longo do espaço anular como função da vazão, dada pelo número de Reynolds, e da rotação do cilindro interno, caracterizada pelo número de Reynolds rotacional. A faixa de números de Reynolds investigada foi de 260 a 10000, enquanto o Reynolds rotacional variou de 60 a 1000. Dois fluidos de trabalho foram utilizados nos testes: água e uma mistura de água e glicerina. Os resultados para a queda de pressão foram apresentados na forma de fatores de atrito hidrodinâmicos. Testes preliminares para o caso do cilindro interno sem rotação foram realizados e comparados com resultados da literatura, com o objetivo de validar a seção de testes e o procedimento experimental. Os resultados apresentados mostraram boa concordância com valores disponíveis na literatura tanto para o caso de escoamento laminar , quanto para escoamento turbulento. Para os casos de baixos números de Reynolds, os resultados mostraram que a rotação do cilindro interno provocava um pico na razão entre o fator de atrito com rotação e sem rotação para um valor do número de Reynolds da ordem de 500. Aumentos da ordem de 15% foram verificados. / [en] The present work investigated the pressure drop generated by the flow through an annular configuration with rotation of the inner cylinder. The motivation for the work comes from the several industrial application of the configuration, such as chemical reactors, filters and in drilling operations for oil and gas wells. The experimental study was conducted in a specially designed test section forming an annular space with radius ratio of 0.65 and a length equivalent to 265 hydraulic diameters, what guaranteed the hydrodynamic development of the flow for the laminar and turbulent regimes. The study investigated the pressure drop along the annular space as a function of the flow rate, given by the Reynolds number, and of the rotation of the inner cylinder, given by the rotational Reynolds number. The range of Reynolds number investigated was from 260 to 10,000, while the rotational Reynolds number was varied from 60 to 1,000. Two fluids were employed in the testes; water and a mixture of water and glycerol. The pressure drop results were presented in the form of dimensionless friction factors. Preliminary tests for the case of no rotation of the inner cylinder were compared with results available in the literature, in order to validate the test section and the experimental procedure. The results displayed good agreement with the literature for both laminar and turbulent regimes. For the low Reynolds number test cases, the results obtained have shown that the inner cylinder rotation induces a peak in the distribution of the ratio of friction factor to the friction factor without rotation. The peak, of about 15%, is found for Reynolds numbers of the order of 500.