Em linhas gerais, esta dissertação de mestrado envolve o estudo de padrões de escoaomento durante a ebulição convectiva em microcanais. Resultados experimentais foram levantados para um tubo com diâmetro de 2,32 mm durante a evaporação convectiva dos refrigerantes R134a e R245fa. Para a investigação, técnicas experimentais e de análise foram desenvolvidas. A caracterização dos padrões de escoamento envolveu o tratamento simultâneo de sinais provenientes dos seguintes dispositivos: um par diodo/sensor-laser tendo um tubo transparente entre eles no interior do qual ocorre o escoamento bifásico; um transdutor de pressão piezo-elétrico de tamanho reduzido com o objetivo de determinar a variação local da pressão do escoamento; e de um micro-termopar em contato com o fluido refrigerante. A técnica de tratamento de dados utilizada envolve a aglomeração progressiva de dados que apresentem características médias similares através do algoritmo k-means. Os sinais de pressão, intensidade de radiação e temperatura foram adquiridos simultaneamente a uma freqüência de 25 kHz. Imagens simultâneas do escoamento bifásico a uma velocidade de captura em torno de 10.000 imagens/s foram levantadas através de uma câmera de filmagem rápida (até 100.000 imagens/s), e os padrões de escoamentos observados contrastados aos resultados fornecidos pelo método proposto. Baseado nesta análise, mapas de escoamento foram propostos, os quais incorporaram não apenas critérios subjetivos como a visualização, mas também objetivos como as variações transientes da pressão local do escoamento e da morfologia do escoamento através do seu efeito na dispersão da radiação emitida pelo foto-diodo. Os resultados previstos pelo método objetivo apresentam concordância razoável com os dados caracterizados com base em visualizações. Adicionalmente, características de bolhas alongadas foram determinadas. / The present research has been focused on the study of flow patterns inside channels of diameter less than 3 mm during the convective evaporation of refrigerants such as R134a and R245fa. For the investigation of such topics, experimental techniques and methods of analysis of results were developed. A broad database was gathered in an experimental test facility. The characterization of flow patterns involved the simultaneous processing of signals from the following devices: a pair diode / laser-sensor having a transparent tube between them, within which occurs the two-phase flow; a micro piezoelectric pressure transducer to determine the local variation of pressure of the flow and a micro-thermocouple fixed within the fluid. The technique used in data processing involves the gradual agglomeration of data having similar average characteristics; this method was developed based on the k-means clustering algorithm. The signals from the transducers were acquired simultaneously at a frequency of 25 kHz. The program for the acquisition and for processing of the signals was developed using LabView. Simultaneous images of two-phase flow at a speed of capture around 10,000 images / s were obtained through a high speed camera and the observed flow patterns were contrasted to the results provided by the objective method. Based on this analysis, flow maps were proposed, which incorporate not only subjective criteria such as visualization, but also objective criteria like the transient variations of local pressure of the flow, temperature of the fluid and the effect of the flow morphology based on the dispersion of light which effect was captured by the photo-diode. The maps obtained by the objective method were compared against flow pattern segregated based on visualization and a reasonable agreement was obtained. Besides the elongated bubble characteristics were determined.

O presente trabalho tem como objetivo fundamental a construção de um sistema de identificação capaz de diagnosticar em tempo real as diferentes configurações de escoamentos bifásicos horizontais. É importante ressaltar que o desenvolvimento deste know-how é capital para a operação eficaz de instalações de manipulação e ou transporte de fluidos multifásicos, e representa, hoje, um dos grandes desafios nas indústrias do petróleo e termonuclear. O princípio de funcionamento do sistema proposto baseia-se nos sinais captados por um sensor de pressão flutuante de resposta rápida, e no seu pósprocessamento com auxílio da transformada de Gabor e de uma rede neural convenientemente treinada. A implementação é tal que a operação de diagnóstico pode ser feita on-line, desde a aquisição dos sinais até o pósprocessamento. Resultados experimentais foram obtidos no circuito experimental do NETeF - Núcleo de Engenharia Térmica e Fluidos da USP - Universidade de São Paulo, para uma secção de testes horizo ntal com 12 m de comprimento e diâmetro interno de 30 mm. Em específico foram ensaiados os seguintes padrões de escoamento ar-água: estratificado liso, ondulado, intermitente, anular e a bolhas. Os resultados mostram que, dependendo dos limites de detecção pré-estabelecidos, todos o principais padrões de escoamento bifásico horizontal são identificados corretamente. / The fundamental objective of this work is the construction of an identification system capable of diagnosing in real time different configurations of horizontal two-phase flow patterns. It is important to emphasize that the development of this know-how is capital to the efficient operation of facilities for manipulation and transportation of multiphase fluids, and represents, today, one of the most important challenges in the oil and thermonuclear industries. The working principle of the proposed system is based on the signals acquired by a rapid response fluctuating pressure sensor, and on its post processing through Gabor Transform and on a conveniently trained artificial neural network. The implementation is accomplished in way that the diagnosis operation is performed on-line, from signal acquisition to post-processing. Experimental results were obtained on the experimental circuit at NETeF - Núcleo de Engenharia Térmica e Fluidos of USP - Universidade de São Paulo, at São Carlos, using a horizontal test section, with 12 m length and 30 mm internal diameter. Experiments were done with the following air-water flow patterns: stratified smooth, wavy, intermittent, annular, and bubbly. Results show that, depending on the preset detection limits, all the main horizontal two phase flow patterns were correctly identified.

O presente trabalho envolve um estudo teórico e experimental do escoamento bifásico externo a banco de tubos. Inicialmente, apresenta-se uma ampla revisão da literatura sobre padrões de escoamento, fração de vazio e perda de pressão, durante escoamentos monofásicos e bifásicos externos a banco de tubos. Nesta análise são também descritos os métodos de previsão destes parâmetros. Verificam-se diferenças significativas entre as estimativas proporcionadas por eles, fato que indica a inexistência de métodos generalizados. Posteriormente é apresentada uma descrição detalhada da bancada experimental projetada e construída durante o doutoramento. O aparato completo compõe-se da seção de testes, circuito de água, sistema de compressão e condicionamento de ar, e seções de injeção dos fluxos e condicionamento do escoamento. A seção de testes consiste em um banco de tubos distribuídos segundo configuração triangular normal, com os tubos apresentando diâmetro externo de 19,1 mm, comprimento de 381 mm, e espaçamento transversal de 24 mm. Os experimentos foram realizados para escoamento vertical ascendente de misturas água-ar e velocidades superficiais da fase líquida e gás de 0,020 a 1,500 m/s e de 0,10 a 10,00 m/s, respectivamente. Neste estudo foram desenvolvidas técnicas inéditas para determinação experimental da fração de vazio superficial no interior do banco de tubos baseadas em sistemas óptico e de sensoriamento capacitivo. Os padrões de escoamento foram identificados subjetivamente através de visualização de imagens e vídeos do escoamento, e objetivamente com o auxílio do método de agrupamento de dados k-means utilizando parâmetros baseados no sinal de perda de pressão e do sensoriamento capacitivo. Identificou-se subjetivamente os padrões de escoamento bolhas, bolhas dispersas, bolhas grandes, agitante, intermitente e anular. Constatou-se equivalência entre os padrões de escoamento identificados através dos métodos objetivo e subjetivo. Resultados experimentais para fração de vazio foram obtidos através de técnicas óptica e capacitiva. Constatou-se que o traçador rodamina B utilizado no método óptico altera as condições do escoamento, ainda que em concentrações reduzidas. A partir dos resultados obtidos com o sensoriamento capacitivo estimou-se a fração de vazio para o padrão bolhas. Resultados para a parcela friccional da perda de pressão também foram levantados. Constata-se o incremento da fração de vazio e da parcela friccional da perda de pressão com as velocidades superficiais das fases líquida e gás. Os resultados para fração de vazio foram comparados com métodos de previsão da literatura, e de maneira geral os métodos preveem as tendências dos resultados experimentais apenas para vazões de líquido reduzidas. Analogamente, os resultados para perda de pressão foram comparados com estimativas segundo métodos da literatura, concluindo que os métodos não preveem satisfatoriamente os resultados obtidos. Desta forma, foram propostos novos métodos de previsão para padrões de escoamento, fração de vazio e parcela friccional da perda de pressão, desenvolvidos a partir de análises dos mecanismos dominantes do escoamento, e adotando parâmetros adimensionais para correlacionar os dados. Os métodos propostos preveem satisfatoriamente os resultados experimentais deste estudo e da literatura para escoamentos bifásicos água-ar. / The present thesis concerns a theoretical and experimental study of external two-phase flows across tube bundles. Initially, a comprehensive literature review covering flow patterns, void fraction and pressure drop for single and two-phase flows across tubes bundle is presented. The review also describes predictive methods for these parameters. A comparison of these methods reveals reasonable disagreement among their predictions, indicating the absence of generalized methods. Subsequently, the apparatus and instrumentation designed and built to obtain the experimental data are described. The experimental apparatus comprises the test section, a water loop, air compression and conditioning systems, and sets for fluid flow injections and conditioning. The test section is a normal triangular tube bundle, with 19.1 mm OD tubes, 381 mm long and transversal pitch of 24 mm. The experiments were performed for air-water upward vertical flow, for superficial liquid and gas velocities ranging from 0.020 to 1.500 m/s and 0.10 to 10.00 m/s, respectively. Innovative techniques to evaluate the void fraction within the bundle were developed based on capacitive and optical methods. The flow patterns were identified subjectively and objectively by k-means clustering method, using as clustering parameters the pressure drop and the capacitive signals. Bubbles, dispersed bubbles, large bubbles, churn, intermittent and annular flow patterns were identified subjectively. The data groups identified by the objective method are representative of the flow patterns. Void fraction measurements were obtained for bubbly flow using both techniques (optical and capacitive). The void fraction data based on the optical method had its experimental range limited due to changes in the flow characteristics caused by the addition of the fluorescent dye Rhodamine B. The experimental results indicate that the void fraction increases with increasing the superficial velocities of both phases. In general, the void fraction predictive methods available in the literature capture the trends of the experimental results only for reduced liquid flow rates. According to the experimental results, the frictional pressure drop increases asymptotically with increasing the flow rates of both phases. None of the predictive methods from literature evaluated in the present study predicted satisfactorily the experimental results. Methods for prediction of flow patterns, void fraction and frictional pressure drop parcel were also developed in the present study. These methods provided reasonable predictions of the experimental results obtained in the present study, and also from the literature for air and water flows across tube bundles.

Em linhas gerais, esta dissertação de mestrado envolve o estudo de padrões de escoaomento durante a ebulição convectiva em microcanais. Resultados experimentais foram levantados para um tubo com diâmetro de 2,32 mm durante a evaporação convectiva dos refrigerantes R134a e R245fa. Para a investigação, técnicas experimentais e de análise foram desenvolvidas. A caracterização dos padrões de escoamento envolveu o tratamento simultâneo de sinais provenientes dos seguintes dispositivos: um par diodo/sensor-laser tendo um tubo transparente entre eles no interior do qual ocorre o escoamento bifásico; um transdutor de pressão piezo-elétrico de tamanho reduzido com o objetivo de determinar a variação local da pressão do escoamento; e de um micro-termopar em contato com o fluido refrigerante. A técnica de tratamento de dados utilizada envolve a aglomeração progressiva de dados que apresentem características médias similares através do algoritmo k-means. Os sinais de pressão, intensidade de radiação e temperatura foram adquiridos simultaneamente a uma freqüência de 25 kHz. Imagens simultâneas do escoamento bifásico a uma velocidade de captura em torno de 10.000 imagens/s foram levantadas através de uma câmera de filmagem rápida (até 100.000 imagens/s), e os padrões de escoamentos observados contrastados aos resultados fornecidos pelo método proposto. Baseado nesta análise, mapas de escoamento foram propostos, os quais incorporaram não apenas critérios subjetivos como a visualização, mas também objetivos como as variações transientes da pressão local do escoamento e da morfologia do escoamento através do seu efeito na dispersão da radiação emitida pelo foto-diodo. Os resultados previstos pelo método objetivo apresentam concordância razoável com os dados caracterizados com base em visualizações. Adicionalmente, características de bolhas alongadas foram determinadas. / The present research has been focused on the study of flow patterns inside channels of diameter less than 3 mm during the convective evaporation of refrigerants such as R134a and R245fa. For the investigation of such topics, experimental techniques and methods of analysis of results were developed. A broad database was gathered in an experimental test facility. The characterization of flow patterns involved the simultaneous processing of signals from the following devices: a pair diode / laser-sensor having a transparent tube between them, within which occurs the two-phase flow; a micro piezoelectric pressure transducer to determine the local variation of pressure of the flow and a micro-thermocouple fixed within the fluid. The technique used in data processing involves the gradual agglomeration of data having similar average characteristics; this method was developed based on the k-means clustering algorithm. The signals from the transducers were acquired simultaneously at a frequency of 25 kHz. The program for the acquisition and for processing of the signals was developed using LabView. Simultaneous images of two-phase flow at a speed of capture around 10,000 images / s were obtained through a high speed camera and the observed flow patterns were contrasted to the results provided by the objective method. Based on this analysis, flow maps were proposed, which incorporate not only subjective criteria such as visualization, but also objective criteria like the transient variations of local pressure of the flow, temperature of the fluid and the effect of the flow morphology based on the dispersion of light which effect was captured by the photo-diode. The maps obtained by the objective method were compared against flow pattern segregated based on visualization and a reasonable agreement was obtained. Besides the elongated bubble characteristics were determined.

O presente trabalho tem como objetivo fundamental a construção de um sistema de identificação capaz de diagnosticar em tempo real as diferentes configurações de escoamentos bifásicos horizontais. É importante ressaltar que o desenvolvimento deste know-how é capital para a operação eficaz de instalações de manipulação e ou transporte de fluidos multifásicos, e representa, hoje, um dos grandes desafios nas indústrias do petróleo e termonuclear. O princípio de funcionamento do sistema proposto baseia-se nos sinais captados por um sensor de pressão flutuante de resposta rápida, e no seu pósprocessamento com auxílio da transformada de Gabor e de uma rede neural convenientemente treinada. A implementação é tal que a operação de diagnóstico pode ser feita on-line, desde a aquisição dos sinais até o pósprocessamento. Resultados experimentais foram obtidos no circuito experimental do NETeF - Núcleo de Engenharia Térmica e Fluidos da USP - Universidade de São Paulo, para uma secção de testes horizo ntal com 12 m de comprimento e diâmetro interno de 30 mm. Em específico foram ensaiados os seguintes padrões de escoamento ar-água: estratificado liso, ondulado, intermitente, anular e a bolhas. Os resultados mostram que, dependendo dos limites de detecção pré-estabelecidos, todos o principais padrões de escoamento bifásico horizontal são identificados corretamente. / The fundamental objective of this work is the construction of an identification system capable of diagnosing in real time different configurations of horizontal two-phase flow patterns. It is important to emphasize that the development of this know-how is capital to the efficient operation of facilities for manipulation and transportation of multiphase fluids, and represents, today, one of the most important challenges in the oil and thermonuclear industries. The working principle of the proposed system is based on the signals acquired by a rapid response fluctuating pressure sensor, and on its post processing through Gabor Transform and on a conveniently trained artificial neural network. The implementation is accomplished in way that the diagnosis operation is performed on-line, from signal acquisition to post-processing. Experimental results were obtained on the experimental circuit at NETeF - Núcleo de Engenharia Térmica e Fluidos of USP - Universidade de São Paulo, at São Carlos, using a horizontal test section, with 12 m length and 30 mm internal diameter. Experiments were done with the following air-water flow patterns: stratified smooth, wavy, intermittent, annular, and bubbly. Results show that, depending on the preset detection limits, all the main horizontal two phase flow patterns were correctly identified.

O presente trabalho envolve um estudo teórico e experimental do escoamento bifásico externo a banco de tubos. Inicialmente, apresenta-se uma ampla revisão da literatura sobre padrões de escoamento, fração de vazio e perda de pressão, durante escoamentos monofásicos e bifásicos externos a banco de tubos. Nesta análise são também descritos os métodos de previsão destes parâmetros. Verificam-se diferenças significativas entre as estimativas proporcionadas por eles, fato que indica a inexistência de métodos generalizados. Posteriormente é apresentada uma descrição detalhada da bancada experimental projetada e construída durante o doutoramento. O aparato completo compõe-se da seção de testes, circuito de água, sistema de compressão e condicionamento de ar, e seções de injeção dos fluxos e condicionamento do escoamento. A seção de testes consiste em um banco de tubos distribuídos segundo configuração triangular normal, com os tubos apresentando diâmetro externo de 19,1 mm, comprimento de 381 mm, e espaçamento transversal de 24 mm. Os experimentos foram realizados para escoamento vertical ascendente de misturas água-ar e velocidades superficiais da fase líquida e gás de 0,020 a 1,500 m/s e de 0,10 a 10,00 m/s, respectivamente. Neste estudo foram desenvolvidas técnicas inéditas para determinação experimental da fração de vazio superficial no interior do banco de tubos baseadas em sistemas óptico e de sensoriamento capacitivo. Os padrões de escoamento foram identificados subjetivamente através de visualização de imagens e vídeos do escoamento, e objetivamente com o auxílio do método de agrupamento de dados k-means utilizando parâmetros baseados no sinal de perda de pressão e do sensoriamento capacitivo. Identificou-se subjetivamente os padrões de escoamento bolhas, bolhas dispersas, bolhas grandes, agitante, intermitente e anular. Constatou-se equivalência entre os padrões de escoamento identificados através dos métodos objetivo e subjetivo. Resultados experimentais para fração de vazio foram obtidos através de técnicas óptica e capacitiva. Constatou-se que o traçador rodamina B utilizado no método óptico altera as condições do escoamento, ainda que em concentrações reduzidas. A partir dos resultados obtidos com o sensoriamento capacitivo estimou-se a fração de vazio para o padrão bolhas. Resultados para a parcela friccional da perda de pressão também foram levantados. Constata-se o incremento da fração de vazio e da parcela friccional da perda de pressão com as velocidades superficiais das fases líquida e gás. Os resultados para fração de vazio foram comparados com métodos de previsão da literatura, e de maneira geral os métodos preveem as tendências dos resultados experimentais apenas para vazões de líquido reduzidas. Analogamente, os resultados para perda de pressão foram comparados com estimativas segundo métodos da literatura, concluindo que os métodos não preveem satisfatoriamente os resultados obtidos. Desta forma, foram propostos novos métodos de previsão para padrões de escoamento, fração de vazio e parcela friccional da perda de pressão, desenvolvidos a partir de análises dos mecanismos dominantes do escoamento, e adotando parâmetros adimensionais para correlacionar os dados. Os métodos propostos preveem satisfatoriamente os resultados experimentais deste estudo e da literatura para escoamentos bifásicos água-ar. / The present thesis concerns a theoretical and experimental study of external two-phase flows across tube bundles. Initially, a comprehensive literature review covering flow patterns, void fraction and pressure drop for single and two-phase flows across tubes bundle is presented. The review also describes predictive methods for these parameters. A comparison of these methods reveals reasonable disagreement among their predictions, indicating the absence of generalized methods. Subsequently, the apparatus and instrumentation designed and built to obtain the experimental data are described. The experimental apparatus comprises the test section, a water loop, air compression and conditioning systems, and sets for fluid flow injections and conditioning. The test section is a normal triangular tube bundle, with 19.1 mm OD tubes, 381 mm long and transversal pitch of 24 mm. The experiments were performed for air-water upward vertical flow, for superficial liquid and gas velocities ranging from 0.020 to 1.500 m/s and 0.10 to 10.00 m/s, respectively. Innovative techniques to evaluate the void fraction within the bundle were developed based on capacitive and optical methods. The flow patterns were identified subjectively and objectively by k-means clustering method, using as clustering parameters the pressure drop and the capacitive signals. Bubbles, dispersed bubbles, large bubbles, churn, intermittent and annular flow patterns were identified subjectively. The data groups identified by the objective method are representative of the flow patterns. Void fraction measurements were obtained for bubbly flow using both techniques (optical and capacitive). The void fraction data based on the optical method had its experimental range limited due to changes in the flow characteristics caused by the addition of the fluorescent dye Rhodamine B. The experimental results indicate that the void fraction increases with increasing the superficial velocities of both phases. In general, the void fraction predictive methods available in the literature capture the trends of the experimental results only for reduced liquid flow rates. According to the experimental results, the frictional pressure drop increases asymptotically with increasing the flow rates of both phases. None of the predictive methods from literature evaluated in the present study predicted satisfactorily the experimental results. Methods for prediction of flow patterns, void fraction and frictional pressure drop parcel were also developed in the present study. These methods provided reasonable predictions of the experimental results obtained in the present study, and also from the literature for air and water flows across tube bundles.

A presente dissertação trata de um estudo teórico-experimental sobre escoamento monofásico e bifásico no interior de tubos com fitas retorcidas. Esta técnica tem sido utilizada há várias décadas para a intensificação de troca de calor para escoamento monofásico e evaporação convectiva no interior de tubos. No entanto, com sua utilização, o aumento do coeficiente de troca de calor é acompanhado pelo incremento da perda de pressão. Portanto a compreensão dos fenômenos relacionados aos incrementos da perda de pressão e troca de calor são fundamentais para engenheiros projetistas. Neste estudo, inicialmente, é apresentada uma extensa revisão bibliográfica sobre padrões de escoamento, modelos para estimativa de fração de vazio e metodologias para previsão da perda de pressão em tubos com e sem fitas retorcidas para escoamentos bifásicos e monofásicos. Foram realizados experimentos em bancada experimental utilizando seção de testes com diâmetro interno de 15,9 mm e dois metros de comprimento com fitas apresentando razões de retorcimento de 3, 4, 9, 14 e , a última correspondente ao tubo sem inserto. Os experimentos foram executados para o refrigerante R134a, velocidades mássicas entre 75 e 250 kg/m²s, e títulos de vapor entre 5 e 95% no caso de escoamentos bifásicos. Resultados foram levantados para velocidades mássicas entre 100 e 450 kg/m²s para escoamentos monofásicos. Durante os ensaios foram levantados resultados de perda de pressão e identificados subjetivamente os respectivos padrões de escoamento. Como resultado final deste estudo é proposta uma correlação para previsão da perda de pressão durante o escoamento no interior de tubos com fitas retorcidas. / A theoretical and experimental study on single and two-phase flow inside tubes with twisted tapes inserts is presented. Twisted tape inserts have been used for decades as a technique of heat transfer enhancement. However, their heat transfer enhancement is accompanied by an increase of the pressure drop. Therefore, understanding the pressure drop and heat transfer mechanisms is fundamental for heat exchanger designers in order to optimize these devices when using twisted-tape inserts. Based on these aspects the present study concerns single and two-phase flows inside tubes with twisted tapes. Experiments were performed in an experimental apparatus for a 15.9 mm ID and twisted tape with twist ratios of 3, 4, 9, 14 and , the last one corresponding to a plain tube without tape. For two-phase flow, experiments were conducted for R134a, mass velocities from 75 to 250 kg/m²s and vapor qualities from 5 to 95%. In case of single-phase flow, experiments were performed for mass velocities from 100 to 450 kg/m²s. The experimental campaign was focused on pressure drop and flow pattern subjective identification. Additionally an extensive literature review on flow patterns, superficial void fraction, and methodologies for prediction of the pressure drop in plain tubes with and without twisted-tape inserts during single and two-phase flow is presented. As final result, a correlation for prediction of pressure drop during flow inside tubes with twisted tape inserts is proposed.

A presente dissertação de mestrado envolve o estudo da perda da pressão e dos padrões para escoamentos água/ar em um canal retangular segundo inclinações a partir do plano horizontal de -90° a 90°. Também foi avaliado o efeito nestes parâmetros de rotacionar a seção de testes em torno de seu eixo axial segundo ângulos de 45° e 60°, determinados a partir da condição de suas faces superior e inferior posicionadas horizontalmente. O texto se inicia com a apresentação de um amplo estudo da literatura sobre métodos de previsão de padrões de escoamento e perda de pressão durante escoamentos bifásicos no interior de dutos. Em seguida é descrito o aparato experimental projetado e construído para este estudo. Tal descrição inclui o detalhamento da seção de testes, que consiste em um canal retangular de seção transversal com dimensões de 6,0 x 6,5 mm². Resultados foram levantados para vazões mássicas entre 90 e 760 kg/m²s, correspondendo a velocidades superficiais entre 0,03 a 19,42 m/s e 0,1 a 0,76 m/s, para, respectivamente as fases gás e líquido. Mapas de escoamento foram desenvolvidos com base em imagens capturadas por câmera de alta velocidade, e também com base na técnica de agrupamento de dados k-means. Os escoamentos foram classificados segundo os padrões bolhas, intermitente e anular. As características hidrodinâmicas e as transições entre estes padrões foram significativamente alteradas pela inclinação do canal. Constatou-se também significativa influência da rotação em torno do eixo do canal, favorecendo efeitos de estratificação no escoamento. As transições obtidas experimentalmente foram comparadas com os métodos de previsão disponíveis na literatura. Os métodos de Taitel e Dukler (1976), para escoamento horizontal, e Taitel et al. (1980) para escoamento vertical ascendente, apresentaram as melhores previsões dos dados experimentais. Com o objetivo de estimar a parcela gravitacional da perda de pressão, levantou-se resultados para a fração de vazio superficial avaliada com base na velocidade média de bolhas alongadas e no tratamento de imagens no caso do escoamento em bolhas. Resultados de perda de pressão por atrito foram comparados com vinte métodos de previsão da literatura. As correlações de Mishima e Hibiki (1996) e Zhang et al. (2010) proporcionaram as melhores previsões para escoamento horizontal. Para escoamentos inclinados, comparou-se 25 métodos da literatura para a determinação da perda de pressão por atrito com os resultados de perda de pressão experimentais, com a perda de pressão gravitacional estimada considerando 20 métodos para a fração de vazio superficial. Desta análise constatou-se que a combinação dos métodos de Mishima e Hibiki (1996) e Zhang et al. (2010) para a previsão da parcela de perda de pressão devido ao atrito e o método de Spedding e Chen (1984) para previsão da fração de vazio superficial, utilizado para a determinação da parcela gravitacional, proporcionam previsões satisfatórias dos dados experimentais. / The present dissertation concerns a study on pressure drop and flow patterns for air/water flows inside a rectangular channel positioned according to inclination angles, relative to the horizontal plane, from -90° to 90°. The effects on flow patterns and pressure drop of rotating the test section relative to its longitudinal axis according to angles of 45° and 60° are also evaluated. Initially, a broad review of the literature concerning experimental studies and predictive methods for flow pattern and pressure drop inside channels is presented. Then, the experimental facility developed for this study is described. In this description, the test section, consisting of a rectangular channel with cross-sectional area of 6.0 x 6.5 mm² is detailed. Experimental data were obtained for mass velocities from 90 to 760 kg/m²s, corresponding to gas and liquid superficial velocities from 0.03 to 19.4 m/s and from 0.1 to 0.76 m/s, respectively. Flow patterns maps were developed based on the following approaches: analyses of two-phase flow images from a high speed video camera; and using the k-means clustering algorithm based on pressure drop and optical signals. The bubbly, intermittent and annular flow patterns were characterized. From the analyses of the data, it was found that the flow pattern transitions are significantly affected by the flow inclination and channel rotation. Two-phase flow stratification effects are enhanced by rotating the channels. Among the flow pattern predictive method evaluated in the present study, Taitel and Dukler (1976), for horizontal channels, and Taitel et al. (1980), for upward flow, provided the best predictions of the data obtained in the present study. In order of estimating the gravitational parcel of the pressure drop, superficial void fraction results were obtained based on the mean velocity of elongated bubbles, for intermittent flow, and on the image processing of bubbles, for bubbly flow. Experimental results for frictional pressure drop were compared against 20 predictive methods available in the literature. The methods of Mishima e Hibiki (1996) and Zhang et al. (2010) performed the best for horizontal flows. The frictional pressure drop predictions were also evaluated for inclined flows by comparing the measured total pressure drop against the corresponding calculated values based on the combination of 25 frictional pressure drop predictive methods and the gravitational parcel of pressure drop estimated according to 20 predictive methods for superficial void fraction. From this analysis, it was found that the combination of Mishima e Hibiki (1996) and Zhang et al. (2010) methods for frictional pressure drop with the method of Spedding e Chen (1984), for void fraction, used to determine the gravitational parcel, provide satisfactory predictions of the experimental data.

Submitted by JOSIANE SANTOS DE OLIVEIRA (josianeso) on 2018-11-12T13:35:25Z No. of bitstreams: 1 Melissa Grahl Figueredo_.pdf: 8476500 bytes, checksum: 0e323d417d0ad90bf62e4ef266aa2f7d (MD5) / Made available in DSpace on 2018-11-12T13:35:25Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Melissa Grahl Figueredo_.pdf: 8476500 bytes, checksum: 0e323d417d0ad90bf62e4ef266aa2f7d (MD5) Previous issue date: 2018-07-03 / Programa de Bolsas de Estudo Talentos Tecnosinos / Este trabalho apresenta o estudo para a caracterização do escoamento bifásico ar-água em um minicanal de 2,6 mm de diâmetro interno para os regimes de escoamento pistonado e bolha isolada, por meio do emprego de quatro pares de sensores ópticos: dois deles formados por emissores IR e fotodiodos como receptores, diferenciados pelo comprimento de onda dos emissores e pela área ativa dos receptores, o outro é o sensor de tubo para líquidos, formado por um emissor IR e um fototransistor como receptor e, por fim, o sensor composto por um LED branco como emissor e um LDR como receptor. Os testes foram realizados para vazões de água de 50, 75 e 100 ml/min e volumes de ar de 0,1, 0,06 e 0,02 ml, captando-se simultaneamente os sinais dos sensores e suas respectivas imagens com uma câmera de alta velocidade. Os resultados obtidos foram a fração de vazio, as curvas de calibração para os sensores, a comparação das respostas dos quatro sensores empregados e a medida da velocidade das bolhas. A calibração dos sensores é dada por meio de uma curva que relaciona a fração de vazio e a tensão do sensor. Relacionando-se as imagens e os sinais dos sensores, foi possível identificar os padrões de escoamento pistonado para os volumes de ar de 0,10 e 0,06 ml e o de bolhas isoladas para o volume de 0,02 ml. A partir da análise dos sinais dos sensores observou-se que para volume de ar de 0,02 ml o sensor de tubo para líquidos, diferentemente dos outros sensores, identificou o padrão levemente alongado da bolha. A verificação dos sinais dos sensores foi feita por meio das áreas medidas pelos sensores e aquelas obtidas através das imagens, ficando com EMR entre -9,36% e 4,49%, sendo os piores resultados os encontrados para o volume de ar de 0,02 ml. O resultado para os valores normalizados das áreas medidas pelos sensores mostrou que o sensor LDR possui resposta mais lenta durante as mudanças entre as fases líquida e gasosa, visto que a área medida por ele ficou maior em relação aos outros sensores. Nota-se ainda que o sensor de tubo para líquido foi aquele que obteve os menores tempos durante as mudanças de fases. As curvas de calibração obtidas foram melhor aproximadas por exponenciais de segunda ordem com R2 entre 0,928 e 0,897 (LDR). Por fim, a aplicação dos sensores em pares possibilitou a medida da velocidade das bolhas para as diferentes vazões de água, resultando em EMR entre -4,92 e 2,17%. / This paper presents an air-water two-phase flow characterization in a small diameter tube of 2.6 mm internal diameter for plug and isolated flow, using four pairs of optical sensors: two of them consist in IR emitter whit different wavelength and photodiodes receivers, whit distinct reception active areas, the other one is a tube liquid sensor based in an IR emitter and a phototransistor receiver and the last one is a LDR as receiver and a white LED emitter. The tests were performed for 50, 75 and 100 ml/min for water flow and 0.1, 0.06 and 0.02 ml for air volume, capturing sensors signals and its respective images in a high-speed camera. The results obtained where void fraction, sensors calibrations curves, a comparison between the four sensors response and bubbly velocity. The sensor calibration process relates void fraction and sensor signal. Images and sensor signal showed that is possible to recognize plug pattern for air volumes of 0.10 and 0.06 ml and isolated bubbly pattern for 0.02 ml. Signal sensors comparison allowed to identify that the tube liquid sensor is better in recognizing a bubbly-plug pattern. The sensors verification has compared the areas measured by the sensor and the image, the EMR results are between -9.6% and 4.49%. The worst results are for air volume of 0.02 ml. LDR sensor response is slower than the others sensors are during phase changing, since the area measured by it has been higher than the other sensors. On the other hand, tube liquid sensor showed to be faster sensor in phase changing. Despite sensors differences, four calibrations curves were obtaining and defined by second order exponentials whit R2 between 0.928 and 0.897 (LDR). Finally, the sensors in pairs allowed to measure mean velocity of bubbles for different water flow, resulting in EMR between -4.92 and 2.17%.

A presente dissertação de mestrado envolve o estudo da perda da pressão e dos padrões para escoamentos água/ar em um canal retangular segundo inclinações a partir do plano horizontal de -90° a 90°. Também foi avaliado o efeito nestes parâmetros de rotacionar a seção de testes em torno de seu eixo axial segundo ângulos de 45° e 60°, determinados a partir da condição de suas faces superior e inferior posicionadas horizontalmente. O texto se inicia com a apresentação de um amplo estudo da literatura sobre métodos de previsão de padrões de escoamento e perda de pressão durante escoamentos bifásicos no interior de dutos. Em seguida é descrito o aparato experimental projetado e construído para este estudo. Tal descrição inclui o detalhamento da seção de testes, que consiste em um canal retangular de seção transversal com dimensões de 6,0 x 6,5 mm². Resultados foram levantados para vazões mássicas entre 90 e 760 kg/m²s, correspondendo a velocidades superficiais entre 0,03 a 19,42 m/s e 0,1 a 0,76 m/s, para, respectivamente as fases gás e líquido. Mapas de escoamento foram desenvolvidos com base em imagens capturadas por câmera de alta velocidade, e também com base na técnica de agrupamento de dados k-means. Os escoamentos foram classificados segundo os padrões bolhas, intermitente e anular. As características hidrodinâmicas e as transições entre estes padrões foram significativamente alteradas pela inclinação do canal. Constatou-se também significativa influência da rotação em torno do eixo do canal, favorecendo efeitos de estratificação no escoamento. As transições obtidas experimentalmente foram comparadas com os métodos de previsão disponíveis na literatura. Os métodos de Taitel e Dukler (1976), para escoamento horizontal, e Taitel et al. (1980) para escoamento vertical ascendente, apresentaram as melhores previsões dos dados experimentais. Com o objetivo de estimar a parcela gravitacional da perda de pressão, levantou-se resultados para a fração de vazio superficial avaliada com base na velocidade média de bolhas alongadas e no tratamento de imagens no caso do escoamento em bolhas. Resultados de perda de pressão por atrito foram comparados com vinte métodos de previsão da literatura. As correlações de Mishima e Hibiki (1996) e Zhang et al. (2010) proporcionaram as melhores previsões para escoamento horizontal. Para escoamentos inclinados, comparou-se 25 métodos da literatura para a determinação da perda de pressão por atrito com os resultados de perda de pressão experimentais, com a perda de pressão gravitacional estimada considerando 20 métodos para a fração de vazio superficial. Desta análise constatou-se que a combinação dos métodos de Mishima e Hibiki (1996) e Zhang et al. (2010) para a previsão da parcela de perda de pressão devido ao atrito e o método de Spedding e Chen (1984) para previsão da fração de vazio superficial, utilizado para a determinação da parcela gravitacional, proporcionam previsões satisfatórias dos dados experimentais. / The present dissertation concerns a study on pressure drop and flow patterns for air/water flows inside a rectangular channel positioned according to inclination angles, relative to the horizontal plane, from -90° to 90°. The effects on flow patterns and pressure drop of rotating the test section relative to its longitudinal axis according to angles of 45° and 60° are also evaluated. Initially, a broad review of the literature concerning experimental studies and predictive methods for flow pattern and pressure drop inside channels is presented. Then, the experimental facility developed for this study is described. In this description, the test section, consisting of a rectangular channel with cross-sectional area of 6.0 x 6.5 mm² is detailed. Experimental data were obtained for mass velocities from 90 to 760 kg/m²s, corresponding to gas and liquid superficial velocities from 0.03 to 19.4 m/s and from 0.1 to 0.76 m/s, respectively. Flow patterns maps were developed based on the following approaches: analyses of two-phase flow images from a high speed video camera; and using the k-means clustering algorithm based on pressure drop and optical signals. The bubbly, intermittent and annular flow patterns were characterized. From the analyses of the data, it was found that the flow pattern transitions are significantly affected by the flow inclination and channel rotation. Two-phase flow stratification effects are enhanced by rotating the channels. Among the flow pattern predictive method evaluated in the present study, Taitel and Dukler (1976), for horizontal channels, and Taitel et al. (1980), for upward flow, provided the best predictions of the data obtained in the present study. In order of estimating the gravitational parcel of the pressure drop, superficial void fraction results were obtained based on the mean velocity of elongated bubbles, for intermittent flow, and on the image processing of bubbles, for bubbly flow. Experimental results for frictional pressure drop were compared against 20 predictive methods available in the literature. The methods of Mishima e Hibiki (1996) and Zhang et al. (2010) performed the best for horizontal flows. The frictional pressure drop predictions were also evaluated for inclined flows by comparing the measured total pressure drop against the corresponding calculated values based on the combination of 25 frictional pressure drop predictive methods and the gravitational parcel of pressure drop estimated according to 20 predictive methods for superficial void fraction. From this analysis, it was found that the combination of Mishima e Hibiki (1996) and Zhang et al. (2010) methods for frictional pressure drop with the method of Spedding e Chen (1984), for void fraction, used to determine the gravitational parcel, provide satisfactory predictions of the experimental data.