O interesse em escoamento bifásico líquido-líquido aumentou recentemente, em especial devido às grandes perdas de energia envolvidas no transporte de petróleo, onde comumente uma mistura bifásica óleo-água é deslocada ao longo de grandes distancias. Embora este tipo de escoamento seja comum na indústria, não existem tantos trabalhos na literatura quanto os relacionados ao escoamento gás-líquido. Alguns estudos sobre escoamentos óleo-água reportam uma redução de atrito em dispersões e emulsões em regime turbulento sem adição de qualquer tipo de substancia química, mas a física por trás do fenômeno ainda não é bem compreendida. Neste trabalho, foi estudado o padrão de escoamento disperso óleo-água em tubulação horizontal, visando a obtenção de novos dados experimentais e um melhor entendimento do fenômeno de redução de atrito. Uma série de parâmetros considerados importantes para a caracterização do escoamento foi investigada: queda de pressão, fração volumétrica e sub-padrões de escoamento disperso. Apresentam-se dados de distribuição das fases e fração volumétrica in situ, obtidos através de um moderno sensor intrusivo, do tipo wire-mesh, baseado em medidas de capacitância (permissividade). Câmera de alta velocidade e técnica das válvulas de fechamento rápido foram utilizadas para validar os sinais do sensor. Um modelo prospectivo simplificado foi desenvolvido como uma tentativa de explicar a ocorrência do fenômeno de redução de atrito no padrão disperso óleo-água estudado. O modelo sugere que a presença de uma fina película de água rente a parede hidrofílica/oleofóbica do tubo poderia explicar a diminuição no gradiente de pressão bifásico observada. / The interest in two-phase liquid-liquid flow has increased recently mainly due to the petroleum industry where oil and water are often produced and transported together for long distances and the significant frictional pressure gradient involved. Liquid-liquid flows are present in a wide range of industrial processes; however, they have not been studied as intensively as gas-liquid flows. Drag reduction phenomenon in oil-water flows without the addition of any drag reduction agent has been detected in previous works, but the physics behind the phenomenon is yet not well understood. The aim of the research was to study the dispersed oil-water flow pattern in a horizontal pipe in order to better understand the phenomenon and the obtaining of new experimental data of oil-water dispersed flows. Important issues related to oil-water pipe flow were investigated: pressure drop, volume fraction and flow patterns. Phase distribution and holdup data were obtained by a new wire-mesh sensor based on capacitance (permittivity) measurements. A high-speed video camera and the Quick-Closing-Valves technique were used to compare and validate the signals of the wire-mesh sensor. A simplified mathematical model was proposed to explain the drag reduction phenomenon in the oil-water dispersed flow studied. The model suggests that the presence of a thin water film between the homogenously dispersed flow and the pipe wall could explain the observed decreases of the two-phase pressure gradient.

O interesse em escoamento bifásico líquido-líquido aumentou recentemente, em especial devido às grandes perdas de energia envolvidas no transporte de petróleo, onde comumente uma mistura bifásica óleo-água é deslocada ao longo de grandes distancias. Embora este tipo de escoamento seja comum na indústria, não existem tantos trabalhos na literatura quanto os relacionados ao escoamento gás-líquido. Alguns estudos sobre escoamentos óleo-água reportam uma redução de atrito em dispersões e emulsões em regime turbulento sem adição de qualquer tipo de substancia química, mas a física por trás do fenômeno ainda não é bem compreendida. Neste trabalho, foi estudado o padrão de escoamento disperso óleo-água em tubulação horizontal, visando a obtenção de novos dados experimentais e um melhor entendimento do fenômeno de redução de atrito. Uma série de parâmetros considerados importantes para a caracterização do escoamento foi investigada: queda de pressão, fração volumétrica e sub-padrões de escoamento disperso. Apresentam-se dados de distribuição das fases e fração volumétrica in situ, obtidos através de um moderno sensor intrusivo, do tipo wire-mesh, baseado em medidas de capacitância (permissividade). Câmera de alta velocidade e técnica das válvulas de fechamento rápido foram utilizadas para validar os sinais do sensor. Um modelo prospectivo simplificado foi desenvolvido como uma tentativa de explicar a ocorrência do fenômeno de redução de atrito no padrão disperso óleo-água estudado. O modelo sugere que a presença de uma fina película de água rente a parede hidrofílica/oleofóbica do tubo poderia explicar a diminuição no gradiente de pressão bifásico observada. / The interest in two-phase liquid-liquid flow has increased recently mainly due to the petroleum industry where oil and water are often produced and transported together for long distances and the significant frictional pressure gradient involved. Liquid-liquid flows are present in a wide range of industrial processes; however, they have not been studied as intensively as gas-liquid flows. Drag reduction phenomenon in oil-water flows without the addition of any drag reduction agent has been detected in previous works, but the physics behind the phenomenon is yet not well understood. The aim of the research was to study the dispersed oil-water flow pattern in a horizontal pipe in order to better understand the phenomenon and the obtaining of new experimental data of oil-water dispersed flows. Important issues related to oil-water pipe flow were investigated: pressure drop, volume fraction and flow patterns. Phase distribution and holdup data were obtained by a new wire-mesh sensor based on capacitance (permittivity) measurements. A high-speed video camera and the Quick-Closing-Valves technique were used to compare and validate the signals of the wire-mesh sensor. A simplified mathematical model was proposed to explain the drag reduction phenomenon in the oil-water dispersed flow studied. The model suggests that the presence of a thin water film between the homogenously dispersed flow and the pipe wall could explain the observed decreases of the two-phase pressure gradient.

O escoamento líquido-líquido, em especial o escoamento óleo-água, vem atraindo a atenção de pesquisadores devido à alta demanda pelo combustível fóssil no atual cenário petrolífero mundial e nacional. Os desafios tecnológicos colocados pelas descobertas de reservas de óleos pesados e altamente viscosos consideram, em especial, a preocupação por minimizar as perdas energéticas nas linhas. Emulsões inversas ou dispersões óleo-em-água, na qual o óleo se encontra disperso de maneira uniforme em água, caracteriza-se pela baixa viscosidade aparente, tornando-se um tipo de emulsão desejável em algumas etapas do transporte de petróleo. Esses fatos tornam essencial o estudo deste tipo de padrão para o dimensionamento e operação ótima de dutos de produção de petróleo. Contudo, não existe ainda um número abrangente de trabalhos sobre padrão disperso líquido-líquido, ao comparar com escoamento em fases separadas. Trabalhos sobre dispersões têm reportado redução de atrito sem a adição de substâncias químicas em regime turbulento. No entanto, não há ainda um entendimento satisfatório do fenômeno. Na maioria dos trabalhos, sendo quase todos realizados com óleos leves e pouco viscosos, a redução é reportada em dispersões água-em-óleo, com escassos trabalhos reportando o fenômeno em dispersões óleo-em-água. A pesquisa realizada tratou do estudo experimental e teórico de dispersões óleo-em-água em tubulações. O escoamento foi caracterizado a partir da obtenção de dados de holdup, gradiente de pressão por fricção, distribuição das fases e padrão de escoamento. Uma teoria foi proposta para explicar a redução de atrito detectada neste trabalho, baseada na existência de um filme fino de água que escoa em contato com a parede do tubo, a baixos números de Reynolds, evitando o contato direto do núcleo turbulento (mistura bifásica) com a parede do tubo. O referido filme líquido foi detectado e quantificado utilizando-se técnica visual. Além disso, um modelo dinâmico baseado na teoria de lubrificação hidrodinâmica foi desenvolvido como tentativa de explicar a formação do filme líquido parietal no escoamento turbulento de dispersões óleo-água. / Liquid-liquid flow, especially oil-water flow, has attracted the attention of researchers due to the high demand for petroleum in the current global scenario. The discovery of reserves of heavy and highly viscous oils creates new challenges which are mainly concerned with reducing the significant pressure drop in pipes. Inverse emulsion or oil-in-water dispersions in which the oil is dispersed in water is characterized by its low effective viscosity, making it a desirable type of emulsion in some steps of oil production. These facts make the study of dispersed liquid-liquid flow essential for the design and optimal operation of oil pipelines. However, the studies on such flow pattern are scanty in comparison to those on separate flows, as stratified and annular flow patterns. Drag reduction in oil-water turbulent flow without the addition of any chemical substance has been reported in some studies. This phenomenon has received increasing attention in recent years, because there is not a satisfactory understanding of its dynamics yet. Most studies, almost all using light oils, report drag reduction in dispersion of water-in-oil, with few studies reporting the phenomenon in oil-in-water dispersions. This research comprises an experimental and theoretical study on oil-in-water dispersions in pipes. Pressure gradient, holdup, phase distribution and flow patterns data were obtained to characterize the two-phase flow. A theory was proposed to explain the drag reduction detected in this work, based on the existence of a thin water film flowing in contact with the pipe wall at low Reynolds numbers, avoiding contact between the turbulent core (mixture) and the pipe wall. The liquid film was detected and quantified using visual technique. In addition, a dynamic model based on the hydrodynamic lubrication theory was developed as an attempt to explain the formation of the liquid film.

O escoamento líquido-líquido, em especial o escoamento óleo-água, vem atraindo a atenção de pesquisadores devido à alta demanda pelo combustível fóssil no atual cenário petrolífero mundial e nacional. Os desafios tecnológicos colocados pelas descobertas de reservas de óleos pesados e altamente viscosos consideram, em especial, a preocupação por minimizar as perdas energéticas nas linhas. Emulsões inversas ou dispersões óleo-em-água, na qual o óleo se encontra disperso de maneira uniforme em água, caracteriza-se pela baixa viscosidade aparente, tornando-se um tipo de emulsão desejável em algumas etapas do transporte de petróleo. Esses fatos tornam essencial o estudo deste tipo de padrão para o dimensionamento e operação ótima de dutos de produção de petróleo. Contudo, não existe ainda um número abrangente de trabalhos sobre padrão disperso líquido-líquido, ao comparar com escoamento em fases separadas. Trabalhos sobre dispersões têm reportado redução de atrito sem a adição de substâncias químicas em regime turbulento. No entanto, não há ainda um entendimento satisfatório do fenômeno. Na maioria dos trabalhos, sendo quase todos realizados com óleos leves e pouco viscosos, a redução é reportada em dispersões água-em-óleo, com escassos trabalhos reportando o fenômeno em dispersões óleo-em-água. A pesquisa realizada tratou do estudo experimental e teórico de dispersões óleo-em-água em tubulações. O escoamento foi caracterizado a partir da obtenção de dados de holdup, gradiente de pressão por fricção, distribuição das fases e padrão de escoamento. Uma teoria foi proposta para explicar a redução de atrito detectada neste trabalho, baseada na existência de um filme fino de água que escoa em contato com a parede do tubo, a baixos números de Reynolds, evitando o contato direto do núcleo turbulento (mistura bifásica) com a parede do tubo. O referido filme líquido foi detectado e quantificado utilizando-se técnica visual. Além disso, um modelo dinâmico baseado na teoria de lubrificação hidrodinâmica foi desenvolvido como tentativa de explicar a formação do filme líquido parietal no escoamento turbulento de dispersões óleo-água. / Liquid-liquid flow, especially oil-water flow, has attracted the attention of researchers due to the high demand for petroleum in the current global scenario. The discovery of reserves of heavy and highly viscous oils creates new challenges which are mainly concerned with reducing the significant pressure drop in pipes. Inverse emulsion or oil-in-water dispersions in which the oil is dispersed in water is characterized by its low effective viscosity, making it a desirable type of emulsion in some steps of oil production. These facts make the study of dispersed liquid-liquid flow essential for the design and optimal operation of oil pipelines. However, the studies on such flow pattern are scanty in comparison to those on separate flows, as stratified and annular flow patterns. Drag reduction in oil-water turbulent flow without the addition of any chemical substance has been reported in some studies. This phenomenon has received increasing attention in recent years, because there is not a satisfactory understanding of its dynamics yet. Most studies, almost all using light oils, report drag reduction in dispersion of water-in-oil, with few studies reporting the phenomenon in oil-in-water dispersions. This research comprises an experimental and theoretical study on oil-in-water dispersions in pipes. Pressure gradient, holdup, phase distribution and flow patterns data were obtained to characterize the two-phase flow. A theory was proposed to explain the drag reduction detected in this work, based on the existence of a thin water film flowing in contact with the pipe wall at low Reynolds numbers, avoiding contact between the turbulent core (mixture) and the pipe wall. The liquid film was detected and quantified using visual technique. In addition, a dynamic model based on the hydrodynamic lubrication theory was developed as an attempt to explain the formation of the liquid film.