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Experimental Investigations of Flow Development, Gap Instability and Gap Vortex Street Generation in Eccentric Annular ChannelsChoueiri, George H. January 2014 (has links)
Isothermal flow development, gap instability, and gap vortex street generation in eccentric annular channels have been studied experimentally. A representative paradigm of a flow in a highly eccentric annular channel was examined for a channel having an inner-to-outer diameter ratio d/D = 0.50 and an eccentricity e = 0.8 for a Reynolds number Re = 7300. Observation of the flow development has identified three distinct regions: the entrance region, the fluctuation-growth region and the rapid-mixing region. Weak quasi-periodic velocity fluctuations were first detected in the downstream part of the entrance region, and grew into very strong ones, reaching peak-to-peak amplitudes in the narrow gap that were nearly 60% of the bulk velocity. The dependence on inlet conditions, d/D, e and Re on the development and structure of flows was also investigated. Experimental conditions covered the ranges: 0 ≤ Re ≤ 19000, 0 ≤ e ≤ 0.9 and d/D = 0.25, 0.50 and 0.75. For Re < 7000, the Strouhal number, the normalized mid-gap axial flow velocity and the axial and cross-flow fluctuation intensities at mid-gap were found to increase with increasing Re and to depend strongly on inlet conditions. At higher Re, however, these parameters reached asymptotic values that were only mildly sensitive to inlet conditions. A map was constructed for the various stages of periodic motions vs. e and Re and it was found that, for e < 0.5 or Re < 1100, the flow was unconditionally stable as far as gap instability is concerned. For e ≤ 0.5, transition to turbulence occurred at Re ≈ 6000, whereas, for 0.6 ≤ e ≤ 0.9, the critical Reynolds number for the formation of periodic motions was found to increase with eccentricity from 1100 for e = 0.6 to 3800 for e = 0.9. The use of an empirically derived "mixing layer Strouhal number" permitted a universal description of gap vortex street periodicity in eccentric annular channels. This study has contributed to our understanding of the physical mechanisms that lead to gap instability and the development of a gap vortex street and the dependence of these flow phenomena on the channel geometry and the dynamic conditions of the flow.
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Análise teórico-experimental do escoamento bifásico no interior de bocais nebulizadores do tipo \"Y - JET\". / Experimental and theoretical analysis of the two-phase flow inside Y-jet atomizers.Pacifico, Antonio Luiz 04 May 2000 (has links)
Neste trabalho de pesquisa foram estudados os efeitos dos parâmetros geométricos e de processo nas características do escoamento bifásico no interior de oito bocais nebulizadores do tipo \"Y-Jet\" através de uma bancada de análise experimental utilizando-se como fluidos de trabalho ar comprimido e água. Os resultados indicaram que as vazões mássicas são altamente dependentes da pressão de suprimento de ar e da relação entre os diâmetros do duto de mistura e do bocal de alimentação de ar. Em muitas situações de operação, esses dispositivos nebulizadores operavam com o escoamento de ar blocado à saída do seu bocal de alimentação. Outro aspecto importante é que, devido a fortes irreversibilidades inerentes ao padrão de escoamento, a expansão do fluxo de ar do seu bocal de alimentação para o duto de mistura aproxima-se muito mais de uma expansão isoentálpica que isoentrópica. Para fluxos mássicos de água superiores a 6000 kg/m2.s a distribuição de pressão no interior do duto de mistura é praticamente linear, independentemente do valor da pressão de alimentação de ar. Uma correlação para a previsão do valor da pressão no ponto de mistura entre os fluxos de ar e água dentro do duto de mistura foi desenvolvida e mostrou-se adequada para valores dentro da faixa de variação de cada parâmetro no experimento. Através de um aparato óptico buscou-se a medição da espessura média local de filme de líquido e da velocidade das perturbações na interface ar/água. Os resultados para a medição da espessura de filme mostraram-se sensivelmente dispersos, apontando para um melhor desenvolvimento dessas técnicas ópticas em futuros trabalhos. Quanto às velocidades das perturbações os resultados indicaram um razoável aumento destas conforme o escoamento se aproxima da saída do duto de mistura. Para todos os oito bocais ensaiados o valor médio destas velocidades, à saída do duto de mistura, situou-se em torno de 60 a 65 m/s. Um modelo teórico-experimental, baseado na medição da queda de pressão no interior do duto de mistura desses bocais, foi desenvolvido. Através desse modelo foi possível prever, localmente, a espessura e a velocidade médias de filme de líquido, a fração de entranhamento, a tensão de cisalhamento na interface ar/água, a fração de vazio e a velocidade média do ar no núcleo do escoamento. / In this research work the effects of the process and geometrical parameters on the characteristics of the internal two-phase flow inside eight Y-Jet atomizers were studied using an apparatus working with air and water. The results show that the flow rates are very dependent on the air supply pressure and the diameter ratio of the mixing duct and the air port. It was also verified that, in many operational conditions, these atomizers worked in the critical condition at the exit of the air port. Due to the strong irreversibilities present in the flow, the expansion from the air port to the mixing duct is closer to an isoenthalpic process than to an isoentropic process. For water mass flux greater than 6000 kg/m2.s, the pressure distribution into the mixing duct is most of the time linear, independently on the air supply pressure. A correlation to predict the mixing point pressure was developed and showed a good agreement with the experimental data. Using an optical apparatus it was measured the local liquid film thickness and the perturbations velocities on the air/water interface. The results for the liquid film showed a reasonable data dispersion. Concerning the perturbation velocities the results indicated that they increase along the mixing duct. For the eight atomizers tested the mean values of these velocities, near the mixing duct exit, were around 60 to 65 m/s. A theoretical-experimental model which uses the pressure drop measured inside the mixing duct was developed to predict locally the mean liquid film velocity and thickness, the entrainment fraction, the shear stress on the air/water interface, the void fraction and the mean air velocity in the flow core.
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Estudo da hidrodinâmica do escoamento bifásico água-óleo utilizando o padrão Core Annular Flow. / Hydrodynamics of a liquid-liquid two-phase oil-water flow in a core annular pattern.Nelize Maria de Almeida Coêlho 12 December 2018 (has links)
A economia mundial é fortemente dependente da disponibilidade de óleo, no entanto as reservas de óleo leve, mais atrativas ao mercado, tendem nos próximos anos ao esgotamento, trazendo à luz as reservas de óleo pesado para atender as demandas do mercado. No entanto, os processos associados ao transporte e processamento desses óleos viscosos consomem muita energia, impondo um grande desafio para a indústria do petróleo. Nesse contexto, se transportar óleos viscosos com água através de um escoamento bifásico em padrão Core Annular Flow (CAF) é muito promissor. Nessa prática, uma película anular de água envolve o núcleo que contém o óleo, minimizando o contato entre este e a parede do duto e reduzindo as perdas de energia por atrito. Visou o presente estudo mapear os padrões de escoamento de óleo pesado com água em dutos horizontais e verticais, mensurar os fatores de redução de potência e do diferencial de pressão associados à um trecho reto e à uma válvula de gaveta aberta e determinar o holdup para avaliar a eficiência do CAF. Para atingir esses objetivos, uma unidade de bancada foi construída, consistindo de tanques de armazenamento e de separação da mistura. Interligando os tanques, foram dispostos dutos transparentes com 27 mm de diâmetro interno e 8 m de extensão, contendo duas seções horizontais e uma vertical para análise e diversos acessórios hidráulicos. O óleo utilizado possuía viscosidade de 3200 cP a 22 °C e densidade de 945 kg/m3 . Os resultados experimentais demonstraram haver diversas configurações de fluxo segundo o posicionamento do duto, e que a diferença de densidade dos fluidos descentraliza o óleo nos escoamentos horizontais. Além disso, o trecho vertical intercalado entre os trechos horizontais se comportou como um retificador de fluxo, melhorando os índices do CAF. Foi determinado um fator de redução de perda de pressão máximo de 250 vezes para o trecho reto e de 12 vezes para a válvula de gaveta. O fator global máximo de redução de potência foi mensurado em 2,2 vezes. Concluiu-se que, para um trecho reto, o projeto de instalações hidráulicas para o escoamento bifásico deve considerar 15 % a mais de perda de carga em relação ao escoamento de água pura. Já para a válvula de gaveta, esse fator deve ser de 700 %. / The world economy is strongly dependent on the availability of oil, however, light oil reserves, more market-oriented, tend to deplete in coming years, bringing to light the heavy oil reserves to meet the demands of the market. However, the processes associated with the transportation and production of these viscous oils consume a lot of energy and pose a great challenge for the oil industry. In this context, transporting viscous oils through a liquid-liquid two-phase oil-water flow in a core annular pattern (CAF) is very promising. In this method, an annular water film surrounds the oil-containing core, minimizing its contact with the pipe wall and reducing energy losses by friction. The aim of the present work was to map the flow patterns of a biphasic oil-water flow in horizontal and vertical pipes, to evaluate the overall energy savings provided by the CAF technique, to measure the pressure gradient reduction factor along the pipe and in a gate valve and to determine the holdup as a way of assessing the energy efficiency of the biphasic oil-water flow transport. To achieve these goals, an experimental facility was built and it consisted of cargo and separation tanks. Connecting these tanks, approximately 8 m of 27mm-ID clear transparent PVC pipes, two horizontal and one vertical sections and various hydraulic fittings. It was used in the tests lubricating oil with 3200 cP and 945 kg/m3 at 22°C and distilled water. The experimental results showed that there are several flow configurations according to the pipe positioning, and that the oil and the water density difference decentralizes the oil core in horizontal flows. In addition, the vertical section placed between the two horizontal ones behaved like a flow rectifier, improving the core annular flow energy savings basis. An average pressure gradient reduction factor of 250 times in a straight pipe and of 12 times in a gate valve was determined. The maximum overall power reduction factor was measured as being 2.2 times. It was concluded that the design of a hydraulic installation to transport heavy oil with water in a core annular pattern should consider a pressure drop increase by a factor of 15 % in a straight pipe and by a factor of 700 % in a gate valve based on the monophasic water transport at similar flow rates.
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Análise teórico-experimental do escoamento bifásico no interior de bocais nebulizadores do tipo \"Y - JET\". / Experimental and theoretical analysis of the two-phase flow inside Y-jet atomizers.Antonio Luiz Pacifico 04 May 2000 (has links)
Neste trabalho de pesquisa foram estudados os efeitos dos parâmetros geométricos e de processo nas características do escoamento bifásico no interior de oito bocais nebulizadores do tipo \"Y-Jet\" através de uma bancada de análise experimental utilizando-se como fluidos de trabalho ar comprimido e água. Os resultados indicaram que as vazões mássicas são altamente dependentes da pressão de suprimento de ar e da relação entre os diâmetros do duto de mistura e do bocal de alimentação de ar. Em muitas situações de operação, esses dispositivos nebulizadores operavam com o escoamento de ar blocado à saída do seu bocal de alimentação. Outro aspecto importante é que, devido a fortes irreversibilidades inerentes ao padrão de escoamento, a expansão do fluxo de ar do seu bocal de alimentação para o duto de mistura aproxima-se muito mais de uma expansão isoentálpica que isoentrópica. Para fluxos mássicos de água superiores a 6000 kg/m2.s a distribuição de pressão no interior do duto de mistura é praticamente linear, independentemente do valor da pressão de alimentação de ar. Uma correlação para a previsão do valor da pressão no ponto de mistura entre os fluxos de ar e água dentro do duto de mistura foi desenvolvida e mostrou-se adequada para valores dentro da faixa de variação de cada parâmetro no experimento. Através de um aparato óptico buscou-se a medição da espessura média local de filme de líquido e da velocidade das perturbações na interface ar/água. Os resultados para a medição da espessura de filme mostraram-se sensivelmente dispersos, apontando para um melhor desenvolvimento dessas técnicas ópticas em futuros trabalhos. Quanto às velocidades das perturbações os resultados indicaram um razoável aumento destas conforme o escoamento se aproxima da saída do duto de mistura. Para todos os oito bocais ensaiados o valor médio destas velocidades, à saída do duto de mistura, situou-se em torno de 60 a 65 m/s. Um modelo teórico-experimental, baseado na medição da queda de pressão no interior do duto de mistura desses bocais, foi desenvolvido. Através desse modelo foi possível prever, localmente, a espessura e a velocidade médias de filme de líquido, a fração de entranhamento, a tensão de cisalhamento na interface ar/água, a fração de vazio e a velocidade média do ar no núcleo do escoamento. / In this research work the effects of the process and geometrical parameters on the characteristics of the internal two-phase flow inside eight Y-Jet atomizers were studied using an apparatus working with air and water. The results show that the flow rates are very dependent on the air supply pressure and the diameter ratio of the mixing duct and the air port. It was also verified that, in many operational conditions, these atomizers worked in the critical condition at the exit of the air port. Due to the strong irreversibilities present in the flow, the expansion from the air port to the mixing duct is closer to an isoenthalpic process than to an isoentropic process. For water mass flux greater than 6000 kg/m2.s, the pressure distribution into the mixing duct is most of the time linear, independently on the air supply pressure. A correlation to predict the mixing point pressure was developed and showed a good agreement with the experimental data. Using an optical apparatus it was measured the local liquid film thickness and the perturbations velocities on the air/water interface. The results for the liquid film showed a reasonable data dispersion. Concerning the perturbation velocities the results indicated that they increase along the mixing duct. For the eight atomizers tested the mean values of these velocities, near the mixing duct exit, were around 60 to 65 m/s. A theoretical-experimental model which uses the pressure drop measured inside the mixing duct was developed to predict locally the mean liquid film velocity and thickness, the entrainment fraction, the shear stress on the air/water interface, the void fraction and the mean air velocity in the flow core.
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[en] EXPERIMENTAL CHARACTERIZING OF OUTWARD ANNULAR IMPINGING JET / [pt] CARACTERIZAÇÃO EXPERIMENTAL DE JATO INCIDENTE SOBRE SUPERFÍCIE CÔNCAVA EM ESPAÇO ANULARLUIZ FERNANDO BERMERO NARDI 01 February 2019 (has links)
[pt] Vibrações induzidas por escoamento tem apresentado cada vez mais importância na indústria do petróleo. A vibração de colunas produção, somada aos ciclos normais de oscilação de temperatura e pressão dos poços, pode causar o desgaste dos diversos micro-componentes presentes no sistema. Uma potencial fonte de perturbação, em poços injetores, é a turbulência do escoamento formado por um jato que sai em alta velocidade da coluna de injeção e atinge a parede do revestimento. No presente estudo, investiga-se o efeito causado por jatos confinados no espaço anular formado por dois tubos concêntricos. A geometria assemelha-se àquela de um poço injetor, entretanto os números de Reynolds analisados são inferiores ao caso real. O objetivo do presente trabalho foi analisar o comportamento desse tipo de escoamento sob diferentes condições, no que diz respeito a número de Reynolds, distância em relação a superfície e número de jatos presentes no espaço anular. O escoamento no interior do espaço anular foi caracterizado com a técnica de velocimetria por imagem de partículas com alta resolução temporal (time resolved PIV). O comportamento dinâmico das perturbações foi analisado e as estruturas espaciais mais relevantes foram estimadas utilizando a decomposição por modos próprios ortogonais. Os resultados mostram que na presença de dois jatos o escoamento o escoamento apresenta flutuações periódicas mais intensas, com frequências bem definidas, sugerindo um acoplamento dos jatos. Foram realizados experimentos para estimar os coeficientes de transferência de calor associados com esse escoamento. Para isso, foram realizados experimentos com aquecimento da superfície do tubo externo. Nos casos com jatos próximos a superfície, os resultados sugerem que ocorre uma redução da transferência de calor na região de estagnação do jato. / [en] Flow induced vibration has shown an increasingly higher relevance in oil and gas industry. The vibration of completion strings, plus normal cycles of wells, can cause premature failure of micro-components present in the system. Flow turbulence is a potential source of vibration for the system. In injection wells, the fluid flows from the inner pipe (completion string) towards the surface of the external pipes (casings). This flow frequently has a turbulent behaviour, due to the high flow rates employed. In the present study, flow resulting from jets in a confined annular space is investigated, for different parameters, including Reynolds number, pipe diameters and number of jets. The geometry resembles that of an injection well, however the Reynolds numbers analyzed are lower than the actual case. The flow field inside the annular space is characterized using time resolved PIV (Particle Image Velocimetry) techniques. The dynamic behavior of the perturbations was analyzed and the most relevant spatial structures were estimated using Proper Orthogonal Decomposition (POD). Results show that, in presence of two jets, flow exhibits intense periodic fluctuations, with well-defined frequencies This suggests the presence of a coupling between jets. Experiments are carried out to estimate the heat transfer coefficients associated with this flow. In the cases with jets close to the surface, results suggest that a reduction of heat transfer occurs in the region of jet stagnation.
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Estudo da hidrodinâmica do escoamento bifásico água-óleo utilizando o padrão Core Annular Flow. / Hydrodynamics of a liquid-liquid two-phase oil-water flow in a core annular pattern.Coêlho, Nelize Maria de Almeida 12 December 2018 (has links)
A economia mundial é fortemente dependente da disponibilidade de óleo, no entanto as reservas de óleo leve, mais atrativas ao mercado, tendem nos próximos anos ao esgotamento, trazendo à luz as reservas de óleo pesado para atender as demandas do mercado. No entanto, os processos associados ao transporte e processamento desses óleos viscosos consomem muita energia, impondo um grande desafio para a indústria do petróleo. Nesse contexto, se transportar óleos viscosos com água através de um escoamento bifásico em padrão Core Annular Flow (CAF) é muito promissor. Nessa prática, uma película anular de água envolve o núcleo que contém o óleo, minimizando o contato entre este e a parede do duto e reduzindo as perdas de energia por atrito. Visou o presente estudo mapear os padrões de escoamento de óleo pesado com água em dutos horizontais e verticais, mensurar os fatores de redução de potência e do diferencial de pressão associados à um trecho reto e à uma válvula de gaveta aberta e determinar o holdup para avaliar a eficiência do CAF. Para atingir esses objetivos, uma unidade de bancada foi construída, consistindo de tanques de armazenamento e de separação da mistura. Interligando os tanques, foram dispostos dutos transparentes com 27 mm de diâmetro interno e 8 m de extensão, contendo duas seções horizontais e uma vertical para análise e diversos acessórios hidráulicos. O óleo utilizado possuía viscosidade de 3200 cP a 22 °C e densidade de 945 kg/m3 . Os resultados experimentais demonstraram haver diversas configurações de fluxo segundo o posicionamento do duto, e que a diferença de densidade dos fluidos descentraliza o óleo nos escoamentos horizontais. Além disso, o trecho vertical intercalado entre os trechos horizontais se comportou como um retificador de fluxo, melhorando os índices do CAF. Foi determinado um fator de redução de perda de pressão máximo de 250 vezes para o trecho reto e de 12 vezes para a válvula de gaveta. O fator global máximo de redução de potência foi mensurado em 2,2 vezes. Concluiu-se que, para um trecho reto, o projeto de instalações hidráulicas para o escoamento bifásico deve considerar 15 % a mais de perda de carga em relação ao escoamento de água pura. Já para a válvula de gaveta, esse fator deve ser de 700 %. / The world economy is strongly dependent on the availability of oil, however, light oil reserves, more market-oriented, tend to deplete in coming years, bringing to light the heavy oil reserves to meet the demands of the market. However, the processes associated with the transportation and production of these viscous oils consume a lot of energy and pose a great challenge for the oil industry. In this context, transporting viscous oils through a liquid-liquid two-phase oil-water flow in a core annular pattern (CAF) is very promising. In this method, an annular water film surrounds the oil-containing core, minimizing its contact with the pipe wall and reducing energy losses by friction. The aim of the present work was to map the flow patterns of a biphasic oil-water flow in horizontal and vertical pipes, to evaluate the overall energy savings provided by the CAF technique, to measure the pressure gradient reduction factor along the pipe and in a gate valve and to determine the holdup as a way of assessing the energy efficiency of the biphasic oil-water flow transport. To achieve these goals, an experimental facility was built and it consisted of cargo and separation tanks. Connecting these tanks, approximately 8 m of 27mm-ID clear transparent PVC pipes, two horizontal and one vertical sections and various hydraulic fittings. It was used in the tests lubricating oil with 3200 cP and 945 kg/m3 at 22°C and distilled water. The experimental results showed that there are several flow configurations according to the pipe positioning, and that the oil and the water density difference decentralizes the oil core in horizontal flows. In addition, the vertical section placed between the two horizontal ones behaved like a flow rectifier, improving the core annular flow energy savings basis. An average pressure gradient reduction factor of 250 times in a straight pipe and of 12 times in a gate valve was determined. The maximum overall power reduction factor was measured as being 2.2 times. It was concluded that the design of a hydraulic installation to transport heavy oil with water in a core annular pattern should consider a pressure drop increase by a factor of 15 % in a straight pipe and by a factor of 700 % in a gate valve based on the monophasic water transport at similar flow rates.
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[en] PRESSURE DROP IN AXIAL FLOW THROUGH ANNULAR REGION WITH INNER CYLINDER ROTATION / [pt] QUEDA DE PRESSÃO EM ESCOAMENTO AXIAL ATRAVÉS DE REGIÃO ANULAR COM ROTAÇÃO DO CILINDRO INTERNODAVID IVAN MALDONADO TAVARA 03 May 2006 (has links)
[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.
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Application Of Isokinetic Sampling Technique For Local Solid Densities In Upward Liquid-solid Flows Through An AnnulusCamci, Gulden 01 September 2003 (has links) (PDF)
In this study, radial solid density distributions in upward flowing water-feldspar mixtures through a concentric annulus were investigated. Local solid density measurements were performed at a test cross-section in the fully developed flow region of a concentric annulus, which is a part of a closed-loop system consisting of a head tank, a variable speed slurry pump, an orificemeter, a heat exchanger, an annulus, a temperature probe, and a drain line. The solid particles with mean diameters of 72 and 138 & / #61549 / m at two different feed solid concentrations of 1 and 2 % v/v were used in the prepared slurries. The dependent variables being local solid density, local mixture velocity, and axial frictional pressure drop along the test-section, an experimental work was performed to obtain the radial solid density profiles and axial pressure gradients at different operating conditions.
To determine the local solid densities, a sampling probe was used. At the beginning, this probe was used as a pitot tube to measure the local velocities in the test cross-section. Making use of these data, local solid densities were measured with the same probe under isokinetic and nonisokinetic conditions to compare both.
For this purpose, an isokinetic sampling unit was designed and constructed to withdraw the samples under isokinetic flow conditions, at which the sampling velocity in the probe equated to the true flow velocity in the annulus very closely. The required constant back-pressure was supplied by pressurized N2 gas to equate these velocities to each other. The amounts of solids in the slurry samples collected at seven different radial locations in the test area under isokinetic and non-isokinetic conditions were determined by the gravimetric method.
Local solid densities showed more uniform trends at the feed solid concentration of 1% v/v than those at 2% v/v. Increasing the feed solid concentration and particle size changed the shape of these profiles. The obtained local solid densities were generally higher near the outer wall than those near the inner wall / this result was consistent with the literature. As a general trend, local solid densities showed a decreasing trend at around a dimensionless radial distance of & / #61548 / =0.4, where the slurry velocity profile had its maximum value. It was observed that the two-phase axial frictional pressure gradients along the test section in the fully developed flow region increased with increasing feed solid concentration and the particle size at a constant slurry flow rate.
Isokinetic sampling results showed that the local solid densities increased consistently with the increasing slurry velocity at all radial distances in the annular gap, while this trend was not observed clearly in the non-isokinetic measurements. Also the variations of the local solid densities along the radial distance were more obvious in the isokinetic results while these variations were obscured under nonisokinetic conditions by the experimental error at a higher level.
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[en] NUMERICAL SIMULATION OF ANNULAR FLOW IN HORIZONTAL PIPES USING THE TWO FLUID MODEL / [pt] SIMULAÇÃO NUMÉRICA DE ESCOAMENTO ANULAR EM TUBULAÇÕES HORIZONTAIS UTILIZANDO O MODELO DE DOIS FLUIDOSIZABEL SOUTO FERREIRA DA SILVA 10 May 2016 (has links)
[pt] Escoamentos bifásicos no regime anular são caracterizados pela formação de um filme de líquido ao redor das paredes do duto com a fase gasosa escoando na área central do duto. O presente trabalho consiste na simulação numérica de um escoamento anular em tubulação horizontal, com e sem transferência de calor através de um código unidimensional baseado no Modelo de Dois Fluidos. São considerados dois pares de fluidos, sendo o primeiro ar-água, o qual é vastamente estudado na literatura e um fluido típico encontrado na produção de petróleo formado de gás natural e óleo. Parâmetros característicos do padrão de escoamento anular como gradiente de pressão, fator de atrito da interface e espessura do filme de líquido são determinados e comparados com dados experimentais e numéricos, apresentando boa concordância. O gás natural é modelado como gás real, através da aplicação da Equação de Estado de Peng-Robinson e comparado com a modelagem utilizando Equação de Gases Ideais. Para o fluido típico selecionado, este efeito é muito pequeno tanto com relação aos parâmetros hidrodinâmicos como velocidades das fases e queda de pressão como nos parâmetros térmicos como campo de temperatura, perda de calor para o ambiente e coeficiente bifásico de troca de calor. / [en] Annular two-phase flow is characterized by the formation of a liquid layer spread around the pipe circumference with gas flowing in the core area of the pipe. The present work consists in the numerical simulation of an annular flow in horizontal pipe, with and without heat transfer through a one-dimensional code based on the Two Fluid Model. Two pairs of fluids are considered, being the first air-water, which is widely studied in the literature and a typical natural gas and oil fluid from production oil fields. Characteristics parameters of annular flow such as pressure drop, interface friction factor e liquid film height are obtained and compared with experimental and numerical data, showing in both cases good agreement. The natural gas is modeled as real gas, using the Peng-Robinson Equation of State, and compared with the ideal gas modeling. For the typical fluid selected, this effect is quite small on the hydrodynamics parameters such as phases velocities and pressure drop and on the thermal parameters such as temperature, heat loss for the environment and heat exchange coefficient.
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Experimental and numerical investigation of high viscosity oil-based multiphase flowsAlagbe, Solomon Oluyemi January 2013 (has links)
Multiphase flows are of great interest to a large variety of industries because flows of two or more immiscible liquids are encountered in a diverse range of processes and equipment. However, the advent of high viscosity oil requires more investigations to enhance good design of transportation system and forestall its inherent production difficulties. Experimental and numerical studies were conducted on water-sand, oil-water and oilwater- sand respectively in 1-in ID 5m long horizontal pipe. The densities of CYL680 and CYL1000 oils employed are 917 and 916.2kg/m3 while their viscosities are 1.830 and 3.149Pa.s @ 25oC respectively. The solid-phase concentration ranged from 2.15e-04 to 10%v/v with mean diameter of 150micron and material density of 2650kg/m3. Experimentally, the observed flow patterns are Water Assist Annular (WA-ANN), Dispersed Oil in Water (DOW/OF), Oil Plug in Water (OPW/OF) with oil film on the wall and Water Plug in Oil (WPO). These configurations were obtained through visualisation, trend and the probability density function (PDF) of pressure signals along with the statistical moments. Injection of water to assist high viscosity oil transport reduced the pressure gradient by an order of magnitude. No significant differences were found between the gradients of oil-water and oil-water-sand, however, increase in sand concentration led to increase in the pressure losses in oil-water-sand flow. Numerically, Water Assist Annular (WA-ANN), Dispersed Oil in Water (DOW/OF), Oil Plug in Water (OPW/OF) with oil film on the wall, and Water Plug in Oil (WPO) flow pattern were successfully obtained by imposing a concentric inlet condition at the inlet of the horizontal pipe coupled with a newly developed turbulent kinetic energy budget equation coded as user defined function which was hooked up to the turbulence models. These modifications aided satisfactory predictions.
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