IBP; FINEP / Técnicas de medição de velocidade baseadas em ultrassom vem sendo muito utilizadas atualmente para o estudo de escoamentos de fluidos devido ao seu caráter não intrusivo. Em escoamentos bifásicos ar-água, a grande dificuldade na aplicação dessa metodologia é resolver a que fase pertence a velocidade medida. Esse problema envolve a tarefa de determinar a posição da interface líquido-gás. O algoritmo de estimação de velocidade denominado de Velocity Matched Spectrum (VMS) se diferencia dos demais por apresentar como resultado um espectro de velocidades para cada volume amostral interrogado. Neste trabalho um método baseado no formato dessa curva espectral da velocidade é utilizado para gerar um mapeamento espaço-temporal, o qual, após aplicação de filtros espaciais, resulta na detecção acurada da posição da interface água-ar. Para isso, um sistema de medição que utiliza o estimador VMS foi desenvolvido e validado através de um experimento de escoamento em cilindro girante e de um escoamento horizontal monofásico turbulento. A ascensão de bolhas em líquido estagnado apresenta dificuldades na detecção da fronteira água-ar devido às mudanças abruptas na inclinação da interface da bolha no seu movimento de subida. É mostrado que a técnica proposta apresenta um erro RMS entre 1,71 a 3,39 e uma probabilidade de falha na detecção e de falsa detecção entre 0,89% a 11,9% na determinação da posição espaço-temporal da interface água-ar de um escoamento externo de ascensão de bolhas em líquido estagnado. Mostra-se que a exatidão na determinação é mantida mesmo no caso de um transdutor obstruído por uma chapa metálica, ou então, emitindo externamente a uma tubulação de acrílico. / Ultrasonic measurement techniques for velocity estimation are currently widely used in flow study due to its non-intrusive nature. The difficulty on the application of this methodology to a two-phase air-water flow is in deciding from which phase the velocity data measured comes from. This problem involves the task of evaluating gas-liquid interface position. The algorithm known as Velocity Matched Spectrum (VMS) is a velocity estimator that stands out from other methods by returning a spectrum of velocities for each interrogated volume sample. In this work a method based on velocity spectrum curve shape is used to generate a spatial-temporal mapping, which, after spatial filtering, yields an accurate contour of the air-water interface. Therefore, a measurement system that implements VMS estimator was developed and validated through a rotating cylinder and a horizontal single-phase pipe turbulent flow experiments. Interface detection of free-rising bubbles in quiescent liquid presents some difficulties for interface detection due to abrupt changes in interface inclination. It is showed that the proposed technique yields a RMS error between 1.71 to 3.39 and a probability of detection failure or false detection between 0.89% to 11.9% in determining the spatial-temporal gas-liquid interface position in the flow of free rising bubbles in stagnant liquid. This result is valid for both free path and with transducer emitting through a metallic plate or a Plexiglas pipe.

Escoamentos bifásicos líquido-gás estão presentes na natureza e em muitas atividades industriais. Neste tipo de escoamento, as fases líquida e gasosa podem assumir diferentes configurações espaciais dentro da tubulação, chamadas padrões de escoamento. O escoamento bifásico líquido-gás em golfadas é o padrão de escoamento mais frequente nas aplicações industriais, ocorrendo em uma ampla faixa de velocidades das fases segundo os estudos de diversos autores. A modelagem matemática para o escoamento em golfadas compreende desde modelos simples em regime estacionário até modelos mais complexos, em regime transiente. E, para solução destes modelos são necessárias correlações empíricas e distribuições estatísticas dos parâmetros característicos do escoamento. Assim, no presente trabalho, vários modelos baseados em redes neurais artificiais são apresentados como suporte à caracterização dos parâmetros do escoamento bifásico em golfadas em função das séries temporais de fração de vazio obtidas experimentalmente. As séries temporais de fração de vazio são medidas com um par de sensores de malha de eletrodos instalado na seção de testes de uma planta experimental do NUEMUTFPR e descritas em Castillo (2015). A partir das séries temporais de fração de vazio medidas são calculados os parâmetros de interesse para o escoamento em estudo: comprimento da bolha alongada de gás, comprimento do pistão de líquido, velocidade de translação da bolha alongada e desvios padrões para essas variáveis. Essas variáveis medidas e calculadas são utilizadas para a obtenção de um conjunto de modelos baseados em rede neural artificial. Após obtenção dos modelos é realizado um estudo de simulação no qual esses modelos são usados para estimar os parâmetros que caracterizam o escoamento bifásico em golfadas. Análises detalhadas dos resultados mostraram que as variáveis relacionadas à fase gasosa são estimadas com maior acurácia que as variáveis relacionadas à fase líquida. Como aplicação imediata do modelo obtido, apresenta-se sua utilização como uma ferramenta de cálculo das condições iniciais para um modelo matemático fenomenológico de escoamento bifásico em golfadas com leve mudança de inclinação baseado no método de seguimento de pistões. O diferencial do presente trabalho está na predição da característica intermitente do escoamento bifásico líquido-gás em golfadas a partir do modelo neural, além da estimação de parâmetros médios para as variáveis de interesse com taxas de incerteza variando entre 10% e 16%. / Gas-liquid two-phase flows are present in nature and in different industrial activities. In this type of flow, the liquid and gas phases assume different spatial configurations inside the pipe, called flow patterns. Slug flow is one of the most frequent flow patterns in industrial applications, occurring over a wide range of phase velocities according to studies presented by several authors. The mathematical modelling of slug flow comprises from simple steady state models to more complex models for transient regimes. Those models require closure relationships, e.g. empirical correlations and statistical distributions of characteristic flow parameters. In this work, several models based on artificial neural networks are presented as a support to the characterization of the two-phase slug flow parameters that depend on experimentally obtained void fraction time series. The void fraction time series are measured with a pair of wiremesh sensors installed in a test section of an experimental rig in the premises of the NUEM/UTFPR labs and described in Castillo (2015). From the time series of void fraction measurements relevant parameters to the flow under consideration are computed: the length of the elongated gas bubble, the liquid slug length, the translational velocity of the elongated bubble and the standard deviations for those variables. Those measured and calculated variables are used to obtain a set of artificial neural network-based models. After obtaining such models, a simulation study in which those models are used to estimate the parameters that characterize the two-phase slug flows is carried out. Detailed analysis of the results showed that the variables related to the gas phase are estimated with greater accuracy than the ones related to the liquid phase. As an immediate application of the obtained model, its use as a tool to calculate the initial conditions for a phenomenological mathematical model of twophase slug flow with a slight change of inclination based on a slug tracking method is presented. The differential of this study is to predict the intermittent features of the twophase slug flow by means of a neural model, as well as the estimation of average parameters for the variables of interest with uncertainly rates ranging between 10% and 16%.

PETROBRAS / O presente trabalho contempla a análise do desenvolvimento de filme de líquido em escoamento ascendente sob a ação dos campos centrífugo e gravitacional, localizado em uma câmara ciclônica de um sistema de distribuição. No estudo foi analisada a dinâmica de um escoamento bifásico líquido-gás a partir de simulações numéricas, tridimensionais e transientes. Na modelagem numérica do escoamento foi utilizado o modelo de dois fluidos euleriano-euleriano junto com o esquema compressivo para a captura da interface líquido-gás e o modelo de turbulência SST (Shear Stress Transport). As equações de balanço foram discretizadas utilizado o método dos volumes finitos baseados em elementos finitos. As simulações numéricas foram realizadas no software comercial ANSYS-CFX 15.0. O modelo numérico desenvolvido foi validado com base em dados experimentais fornecidos pelo NUEM (Núcleo de Escoamento Multifásico). Os resultados obtidos neste trabalho possibilitaram o entendimento da dinâmica do escoamento (formação, espalhamento, estabilidade e desenvolvimento) e como a variação das velocidades superficiais do líquido e do gás (0,5; 1,0; 1,5 e 2,0 m/s para ambas as fases) influenciam na estabilidade e no comportamento do escoamento de filme de líquido ascendente. Foi elaborado ainda um modelo matemático capaz de fornecer condições de comportamento médio de um escoamento no padrão golfadas para os casos analisados. / Flows with free surface compose an important class of two-phase flows in the fluids mechanics. In various applications a thin film of liquid builds up on horizontal or vertical surfaces. This type of flow is denominated as liquid film flow. The present work contemplates the analysis of the development of liquid film in ascendant flow under the action of the centrifugal and gravitational fields, located in a cyclonic chamber of a distribution system. In the study, the dynamics of a liquid film flow were analyzed with the aid of three-dimensional and transient numerical simulations. The numerical model developed was validated based on experimental data provided by NUEM (Centre for Multiphase Flows). In the numerical modeling of the flow, were used the EulerianEulerian two fluid model coupled with the compressive discretization scheme for the capture of the liquid-gas interface and the Shear Stress Transport turbulence model. The balance equations were discretized using the finite volume based on finite elements method. Numerical simulations were supported by the commercial software ANSYS-CFX 15.0. The results obtained in this work enabled the understanding of flow dynamics (formation, spreading, stability and development) and how the superficial velocities of liquid and gas (0.5, 1.0, 1.5 and 2.0 m/s for both phases) influence on the stability and behavior of the ascendant liquid film flow. A mathematical model capable of providing conditions that represent the average behavior of a slug flow pattern was also elaborate.

CAPES / A análise do comportamento dos fluidos em escoamentos multifásicos possui grande relevância para garantia de segurança em instalações industriais. O uso de equipamentos para monitorar tal comportamento fica sujeito a fatores tais como, alto investimento e mão de obra especializada. Neste contexto, a aplicação de técnicas de processamento de imagens na análise do escoamento seria de grande auxílio, no entanto, poucas pesquisas foram desenvolvidas. Nesta tese, uma nova abordagem para segmentação de imagens baseada no método Level Set que une contornos ativos e conhecimento a priori é desenvolvida. Para tanto, um modelo da forma do objeto alvo é treinado e definido por meio do modelo de distribuição de pontos e então inserido como uma função de velocidade de extensão para evolução da curva de nível zero do método Level Set. A abordagem proposta cria um framework que consiste em três termos de energia e uma função de velocidade de extensão λLg(θ)+vAg(θ)+muP(0)+θf. Os três primeiros termos desta equação são os mesmo introduzidos em (LI CHENYANG XU; FOX, 2005) e a última parcela θf é baseada na representação da forma do objeto proposta nesta tese. Duas variações do método são utilizadas: uma com restrição (Restrict Level Set - RLS) e outra sem restrição (Free Level Set - FLS). A primeira será utilizada na segmentação de imagens que contem alvos com pouca variação na forma e pose. A segunda deve ser utilizada para a identificação correta da forma de bolhas de gás no escoamento bifásico gás-líquido. A robustez e eficiência da abordagem RLS e FLS são apresentados em imagens do escoamento bifásico gás-líquido e na base de dados HTZ (FERRARI et al., 2009). Os resultados promissores confirmam o bom desempenho do algoritmo proposto (RLS e FLS) e indicam que a abordagem pode ser utilizada como um método eficiente para validação e/ou calibração de diversos equipamentos utilizados como medidores das propriedades do escoamento bifásico, bem como, em outros problemas de segmentação de imagens. / The analysis of fluid behavior in multiphase flow is very relevant to guarantee system safety. The use of equipment to describe such behavior is subjected to factors such as the high level of investments and of specialized labor. The application of image processing techniques to flow analysis can be a good alternative, however, very little research has been developed. In this subject, this study aims at developing a new approach to image segmentation based on Level Set method that connects the active contours and prior knowledge. In order to do that, a model shape of the targeted object is trained and defined through a model of point distribution and later this model is inserted as one of the extension velocity functions for the curve evolution at zero level of level set method. The proposed approach creates a framework that consists in three terms of energy and an extension velocity function λLg(θ)+vAg(θ)+muP(0)+θf. The first three terms of the equation are the same ones introduced in (LI CHENYANG XU; FOX, 2005) and the last part of the equation θf is based on the representation of object shape proposed in this work. Two method variations are used: one restricted (Restrict Level Set - RLS) and the other with no restriction (Free Level Set - FLS). The first one is used in image segmentation that contains targets with little variation in shape and pose. The second will be used to correctly identify the shape of the bubbles in the liquid gas two phase flows. The efficiency and robustness of the approach RLS and FLS are presented in the images of the liquid gas two phase flows and in the image dataset HTZ (FERRARI et al., 2009). The results confirm the good performance of the proposed algorithm (RLS and FLS) and indicate that the approach may be used as an efficient method to validate and/or calibrate the various existing equipment used as meters for two phase flow properties, as well as in other image segmentation problems.

CAPES; ANP; FINEP; MCT; PETROBRAS / Escoamentos bifásicos são encontrados com frequência, em atividades industriais, como por exemplo, em reatores químicos e nas operações de produção e transporte de petróleo, onde escoamentos do tipo gás-liquido são os mais comuns. Esses são caracterizados pela passagem simultânea de dois fluidos imiscíveis em um duto, podendo tomar diversas formas ao longo da tubulação, chamado de padrão ou regime de escoamento. Em muitos casos, o tipo de escoamento determina a eficiência e segurança dos processos ou plantas onde tais ocorrem. Desta forma, a monitoração em tempo real de escoamentos bifásicos é de grande importância. O objetivo deste trabalho é desenvolver um sensor inteligente para monitoramento de escoamento bifásico. Foram selecionados dois parâmetros importantes de monitoração, o primeiro deles é a fração de gás e o segundo a velocidade de translação de bolhas. Para isso foi desenvolvido uma sonda capacitiva que explora a diferença da permissividade elétrica das fases para diferenciá-las. Além disso, uma eletrônica anteriormente desenvolvida foi aprimorada para tornar possível a medição de dois canais simultaneamente e o firmware modificado para realização do cálculo de fração de vazio e velocidades de forma embarcada. A resposta da sonda capacitiva desenvolvida não depende apenas da proporção volumétrica das fases, mas também da forma que estão distribuídas em seu interior, portanto simulações de campo elétrico pelo método de elementos finitos foram realizadas para o levantamento da resposta do mesmo. A resposta do sensor foi validada através de testes estáticos e em escoamentos em plantas controladas, onde os resultados foram comparados com os obtidos, em medidas simultâneas com o sensor wire-mesh, adotado como referência neste trabalho. Os resultados obtidos mostram que o sensor capacitivo é capaz de medir os parâmetros de forma satisfatória. Assim, este sensor pode ser empregado em trabalhos futuros como ferramenta simples para monitoração de escoamentos bifásicos. / Two-phase flow is frequently found in industrial activities, for instance in chemical reactors or during oil production and transport, where gas-liquid flow type is the most common. Such flow is characterized by the simultaneous passage of two immiscible fluids in a pipe. The fluids may assume various spatial distributions in a pipe, which are classified into flow regimes. In many cases, the type of flow determines the efficiency and safety of the processes or plants in which they occur. The objective of this work is to develop a smart sensor for real-time monitoring of two-phase flows. Here two important monitoring parameters were selected; the first is the gas void fraction and the second translational bubble velocities. To this aim, a capacitive probe was developed that exploits the difference in electrical permittivity of the phases. In addition, a previously developed electronics have been further developed to make it possible to measure two channels simultaneously and the firmware has been modified for performing the calculation of the two parameters directly in the embedded microcontroller. The response of the capacitive probe depends not only on the volume fraction of the phases, but it also depends on the way they are distributed inside the pipe. In order to account for this, electric field simulations by finite element method were performed to survey the sensor responses. The overall sensor response was validated by static tests and controlled flow experiments in a pilot plant. The measurement results were compared with those obtained by simultaneous measurements with a wire-mesh sensor which was adopted as reference in this study. The results show that the capacitive sensor is able of measuring the parameters satisfactorily. Hence, the sensor can be applied in future work as a simple tool for two-phase flows monitoring.

BG - Brasil e do Instituto Brasileiro de Petróleo, Gás e Biocombustíveis / Escoamentos multifásicos estão presentes em diversas atividades industriais como na exploração, produção e transporte de petróleo e gás, onde é comum encontrar escoando por dutos uma mistura de óleo, gás e água. Em muitos casos, o tipo de escoamento determina a eficiência e segurança dos processos e equipamentos onde ocorrem. Com isso, investigações experimentais de escoamento multifásicos são de grande importância no auxilio do desenvolvimento de modelos teóricos e na validação de predições realizadas por simulações, ampliando o entendimento do fenômeno. No passado algumas técnicas para investigação de escoamentos multifásicos foram propostas e aplicadas. Contudo, estas técnicas, na sua maioria, estão limitadas a investigação de escoamentos envolvendo apenas duas fases. Neste trabalho, foi proposta uma nova eletrônica para operar um sensor de malha de eletrodos (Wire-Mesh Sensor) que é capaz de investigar escoamentos contendo até três fases. Inicialmente proposto para visualização de escoamentos bifásicos, o sensor wire-mesh realiza o imageamento da distribuição de fases de uma seção transversal. Com a passagem do escoamento através do sensor, o mapeamento das fases é realizado de forma intrusiva com alta resolução temporal e espacial. Para possibilitar seu uso em escoamentos trifásicos, neste trabalho foi desenvolvida uma nova eletrônica capaz de medir simultaneamente a permissividade elétrica e a condutividade elétrica do fluido presente entre os eletrodos do sensor. O princípio básico do funcionamento é baseado na excitação com duas frequências distintas. Além do hardware foi também desenvolvido um software, onde é possível salvar os dados adquiridos em uma base de dados para futuros estudos. O desempenho da nova eletrônica foi verificado através de medições em componentes (rede RC) com valores de referência. O sistema completo foi utilizado para gerar imagens de uma mistura trifásica ar-óleo-água em condições estáticas e dinâmicas, apresentando bons resultados. Desta forma, a principal contribuição deste trabalho é a disponibilização de uma nova ferramenta para análise de escoamentos multifásicos. / Multiphase flows are present in many industrial activities such as in exploration, production and transportation of oil and gas, in which is common to find a mixture of oil, gas and water flowing inside pipes. In many cases this type of flow determines the efficiency and safety of the processes and equipment where they occur. In this way, experimental investigations of multiphase flow are of great value to develop new theoretical models and to validate predictions made by computer simulations, hence increasing the understanding of the flow phenomena. In this work, a new measuring electronics to operate a wire-mesh sensor (WMS) is introduced. Initially proposed for visualization of two-phase flow, the WMS performs the imaging of the phase distribution of a cross section based on the multiplexed measurement of an electrical property of the fluid in contact with the mesh grid of the sensor. With the passage of flow through the sensor, the phase mapping is realized by intrusive electrodes at high temporal and spatial resolution. To allow its use in multiphase flows, the new electronics developed in this work simultaneously measures the electrical permittivity and electrical conductivity of the media in the mesh grid. The basic idea is to activate the electrodes with a signal composed of two distinct frequencies. Besides the development of the electronics' hardware, a software was also implemented, by which data can be acquired and for future investigation. The performance of the new instrument has been verified by use of components (RC network) with reference values. The developed system was used to generate images of a multiphase mixture of air-oil-water in static and dynamic conditions, showing good results. Thus, the main contribution of this work is to make available a new tool for the investigation of multiphase flows.

Escoamentos bifásicos líquido-gás estão presentes na natureza e em muitas atividades industriais. Neste tipo de escoamento, as fases líquida e gasosa podem assumir diferentes configurações espaciais dentro da tubulação, chamadas padrões de escoamento. O escoamento bifásico líquido-gás em golfadas é o padrão de escoamento mais frequente nas aplicações industriais, ocorrendo em uma ampla faixa de velocidades das fases segundo os estudos de diversos autores. A modelagem matemática para o escoamento em golfadas compreende desde modelos simples em regime estacionário até modelos mais complexos, em regime transiente. E, para solução destes modelos são necessárias correlações empíricas e distribuições estatísticas dos parâmetros característicos do escoamento. Assim, no presente trabalho, vários modelos baseados em redes neurais artificiais são apresentados como suporte à caracterização dos parâmetros do escoamento bifásico em golfadas em função das séries temporais de fração de vazio obtidas experimentalmente. As séries temporais de fração de vazio são medidas com um par de sensores de malha de eletrodos instalado na seção de testes de uma planta experimental do NUEMUTFPR e descritas em Castillo (2015). A partir das séries temporais de fração de vazio medidas são calculados os parâmetros de interesse para o escoamento em estudo: comprimento da bolha alongada de gás, comprimento do pistão de líquido, velocidade de translação da bolha alongada e desvios padrões para essas variáveis. Essas variáveis medidas e calculadas são utilizadas para a obtenção de um conjunto de modelos baseados em rede neural artificial. Após obtenção dos modelos é realizado um estudo de simulação no qual esses modelos são usados para estimar os parâmetros que caracterizam o escoamento bifásico em golfadas. Análises detalhadas dos resultados mostraram que as variáveis relacionadas à fase gasosa são estimadas com maior acurácia que as variáveis relacionadas à fase líquida. Como aplicação imediata do modelo obtido, apresenta-se sua utilização como uma ferramenta de cálculo das condições iniciais para um modelo matemático fenomenológico de escoamento bifásico em golfadas com leve mudança de inclinação baseado no método de seguimento de pistões. O diferencial do presente trabalho está na predição da característica intermitente do escoamento bifásico líquido-gás em golfadas a partir do modelo neural, além da estimação de parâmetros médios para as variáveis de interesse com taxas de incerteza variando entre 10% e 16%. / Gas-liquid two-phase flows are present in nature and in different industrial activities. In this type of flow, the liquid and gas phases assume different spatial configurations inside the pipe, called flow patterns. Slug flow is one of the most frequent flow patterns in industrial applications, occurring over a wide range of phase velocities according to studies presented by several authors. The mathematical modelling of slug flow comprises from simple steady state models to more complex models for transient regimes. Those models require closure relationships, e.g. empirical correlations and statistical distributions of characteristic flow parameters. In this work, several models based on artificial neural networks are presented as a support to the characterization of the two-phase slug flow parameters that depend on experimentally obtained void fraction time series. The void fraction time series are measured with a pair of wiremesh sensors installed in a test section of an experimental rig in the premises of the NUEM/UTFPR labs and described in Castillo (2015). From the time series of void fraction measurements relevant parameters to the flow under consideration are computed: the length of the elongated gas bubble, the liquid slug length, the translational velocity of the elongated bubble and the standard deviations for those variables. Those measured and calculated variables are used to obtain a set of artificial neural network-based models. After obtaining such models, a simulation study in which those models are used to estimate the parameters that characterize the two-phase slug flows is carried out. Detailed analysis of the results showed that the variables related to the gas phase are estimated with greater accuracy than the ones related to the liquid phase. As an immediate application of the obtained model, its use as a tool to calculate the initial conditions for a phenomenological mathematical model of twophase slug flow with a slight change of inclination based on a slug tracking method is presented. The differential of this study is to predict the intermittent features of the twophase slug flow by means of a neural model, as well as the estimation of average parameters for the variables of interest with uncertainly rates ranging between 10% and 16%.

PETROBRAS / O presente trabalho contempla a análise do desenvolvimento de filme de líquido em escoamento ascendente sob a ação dos campos centrífugo e gravitacional, localizado em uma câmara ciclônica de um sistema de distribuição. No estudo foi analisada a dinâmica de um escoamento bifásico líquido-gás a partir de simulações numéricas, tridimensionais e transientes. Na modelagem numérica do escoamento foi utilizado o modelo de dois fluidos euleriano-euleriano junto com o esquema compressivo para a captura da interface líquido-gás e o modelo de turbulência SST (Shear Stress Transport). As equações de balanço foram discretizadas utilizado o método dos volumes finitos baseados em elementos finitos. As simulações numéricas foram realizadas no software comercial ANSYS-CFX 15.0. O modelo numérico desenvolvido foi validado com base em dados experimentais fornecidos pelo NUEM (Núcleo de Escoamento Multifásico). Os resultados obtidos neste trabalho possibilitaram o entendimento da dinâmica do escoamento (formação, espalhamento, estabilidade e desenvolvimento) e como a variação das velocidades superficiais do líquido e do gás (0,5; 1,0; 1,5 e 2,0 m/s para ambas as fases) influenciam na estabilidade e no comportamento do escoamento de filme de líquido ascendente. Foi elaborado ainda um modelo matemático capaz de fornecer condições de comportamento médio de um escoamento no padrão golfadas para os casos analisados. / Flows with free surface compose an important class of two-phase flows in the fluids mechanics. In various applications a thin film of liquid builds up on horizontal or vertical surfaces. This type of flow is denominated as liquid film flow. The present work contemplates the analysis of the development of liquid film in ascendant flow under the action of the centrifugal and gravitational fields, located in a cyclonic chamber of a distribution system. In the study, the dynamics of a liquid film flow were analyzed with the aid of three-dimensional and transient numerical simulations. The numerical model developed was validated based on experimental data provided by NUEM (Centre for Multiphase Flows). In the numerical modeling of the flow, were used the EulerianEulerian two fluid model coupled with the compressive discretization scheme for the capture of the liquid-gas interface and the Shear Stress Transport turbulence model. The balance equations were discretized using the finite volume based on finite elements method. Numerical simulations were supported by the commercial software ANSYS-CFX 15.0. The results obtained in this work enabled the understanding of flow dynamics (formation, spreading, stability and development) and how the superficial velocities of liquid and gas (0.5, 1.0, 1.5 and 2.0 m/s for both phases) influence on the stability and behavior of the ascendant liquid film flow. A mathematical model capable of providing conditions that represent the average behavior of a slug flow pattern was also elaborate.

CAPES / A análise do comportamento dos fluidos em escoamentos multifásicos possui grande relevância para garantia de segurança em instalações industriais. O uso de equipamentos para monitorar tal comportamento fica sujeito a fatores tais como, alto investimento e mão de obra especializada. Neste contexto, a aplicação de técnicas de processamento de imagens na análise do escoamento seria de grande auxílio, no entanto, poucas pesquisas foram desenvolvidas. Nesta tese, uma nova abordagem para segmentação de imagens baseada no método Level Set que une contornos ativos e conhecimento a priori é desenvolvida. Para tanto, um modelo da forma do objeto alvo é treinado e definido por meio do modelo de distribuição de pontos e então inserido como uma função de velocidade de extensão para evolução da curva de nível zero do método Level Set. A abordagem proposta cria um framework que consiste em três termos de energia e uma função de velocidade de extensão λLg(θ)+vAg(θ)+muP(0)+θf. Os três primeiros termos desta equação são os mesmo introduzidos em (LI CHENYANG XU; FOX, 2005) e a última parcela θf é baseada na representação da forma do objeto proposta nesta tese. Duas variações do método são utilizadas: uma com restrição (Restrict Level Set - RLS) e outra sem restrição (Free Level Set - FLS). A primeira será utilizada na segmentação de imagens que contem alvos com pouca variação na forma e pose. A segunda deve ser utilizada para a identificação correta da forma de bolhas de gás no escoamento bifásico gás-líquido. A robustez e eficiência da abordagem RLS e FLS são apresentados em imagens do escoamento bifásico gás-líquido e na base de dados HTZ (FERRARI et al., 2009). Os resultados promissores confirmam o bom desempenho do algoritmo proposto (RLS e FLS) e indicam que a abordagem pode ser utilizada como um método eficiente para validação e/ou calibração de diversos equipamentos utilizados como medidores das propriedades do escoamento bifásico, bem como, em outros problemas de segmentação de imagens. / The analysis of fluid behavior in multiphase flow is very relevant to guarantee system safety. The use of equipment to describe such behavior is subjected to factors such as the high level of investments and of specialized labor. The application of image processing techniques to flow analysis can be a good alternative, however, very little research has been developed. In this subject, this study aims at developing a new approach to image segmentation based on Level Set method that connects the active contours and prior knowledge. In order to do that, a model shape of the targeted object is trained and defined through a model of point distribution and later this model is inserted as one of the extension velocity functions for the curve evolution at zero level of level set method. The proposed approach creates a framework that consists in three terms of energy and an extension velocity function λLg(θ)+vAg(θ)+muP(0)+θf. The first three terms of the equation are the same ones introduced in (LI CHENYANG XU; FOX, 2005) and the last part of the equation θf is based on the representation of object shape proposed in this work. Two method variations are used: one restricted (Restrict Level Set - RLS) and the other with no restriction (Free Level Set - FLS). The first one is used in image segmentation that contains targets with little variation in shape and pose. The second will be used to correctly identify the shape of the bubbles in the liquid gas two phase flows. The efficiency and robustness of the approach RLS and FLS are presented in the images of the liquid gas two phase flows and in the image dataset HTZ (FERRARI et al., 2009). The results confirm the good performance of the proposed algorithm (RLS and FLS) and indicate that the approach may be used as an efficient method to validate and/or calibrate the various existing equipment used as meters for two phase flow properties, as well as in other image segmentation problems.

BG - Brasil e do Instituto Brasileiro de Petróleo, Gás e Biocombustíveis / Escoamentos multifásicos estão presentes em diversas atividades industriais como na exploração, produção e transporte de petróleo e gás, onde é comum encontrar escoando por dutos uma mistura de óleo, gás e água. Em muitos casos, o tipo de escoamento determina a eficiência e segurança dos processos e equipamentos onde ocorrem. Com isso, investigações experimentais de escoamento multifásicos são de grande importância no auxilio do desenvolvimento de modelos teóricos e na validação de predições realizadas por simulações, ampliando o entendimento do fenômeno. No passado algumas técnicas para investigação de escoamentos multifásicos foram propostas e aplicadas. Contudo, estas técnicas, na sua maioria, estão limitadas a investigação de escoamentos envolvendo apenas duas fases. Neste trabalho, foi proposta uma nova eletrônica para operar um sensor de malha de eletrodos (Wire-Mesh Sensor) que é capaz de investigar escoamentos contendo até três fases. Inicialmente proposto para visualização de escoamentos bifásicos, o sensor wire-mesh realiza o imageamento da distribuição de fases de uma seção transversal. Com a passagem do escoamento através do sensor, o mapeamento das fases é realizado de forma intrusiva com alta resolução temporal e espacial. Para possibilitar seu uso em escoamentos trifásicos, neste trabalho foi desenvolvida uma nova eletrônica capaz de medir simultaneamente a permissividade elétrica e a condutividade elétrica do fluido presente entre os eletrodos do sensor. O princípio básico do funcionamento é baseado na excitação com duas frequências distintas. Além do hardware foi também desenvolvido um software, onde é possível salvar os dados adquiridos em uma base de dados para futuros estudos. O desempenho da nova eletrônica foi verificado através de medições em componentes (rede RC) com valores de referência. O sistema completo foi utilizado para gerar imagens de uma mistura trifásica ar-óleo-água em condições estáticas e dinâmicas, apresentando bons resultados. Desta forma, a principal contribuição deste trabalho é a disponibilização de uma nova ferramenta para análise de escoamentos multifásicos. / Multiphase flows are present in many industrial activities such as in exploration, production and transportation of oil and gas, in which is common to find a mixture of oil, gas and water flowing inside pipes. In many cases this type of flow determines the efficiency and safety of the processes and equipment where they occur. In this way, experimental investigations of multiphase flow are of great value to develop new theoretical models and to validate predictions made by computer simulations, hence increasing the understanding of the flow phenomena. In this work, a new measuring electronics to operate a wire-mesh sensor (WMS) is introduced. Initially proposed for visualization of two-phase flow, the WMS performs the imaging of the phase distribution of a cross section based on the multiplexed measurement of an electrical property of the fluid in contact with the mesh grid of the sensor. With the passage of flow through the sensor, the phase mapping is realized by intrusive electrodes at high temporal and spatial resolution. To allow its use in multiphase flows, the new electronics developed in this work simultaneously measures the electrical permittivity and electrical conductivity of the media in the mesh grid. The basic idea is to activate the electrodes with a signal composed of two distinct frequencies. Besides the development of the electronics' hardware, a software was also implemented, by which data can be acquired and for future investigation. The performance of the new instrument has been verified by use of components (RC network) with reference values. The developed system was used to generate images of a multiphase mixture of air-oil-water in static and dynamic conditions, showing good results. Thus, the main contribution of this work is to make available a new tool for the investigation of multiphase flows.