Experimental analysis of multiphase flows. Design and setup of an experimental facility

Abstract

Una millor comprensió dels complexos fenòmens que regeixen la dinàmica del fluxos tri-fàsics així com un increment en la capacitat predictiva de la seva dinàmica, són crucials en el disseny i construcció de sistemes fluidics d'interès per a una àmplia gama d'indústries.

Aquest treball de recerca presenta el disseny i muntatge de LESLIE, un circuit tancat de baixa pressió destinat a la recerca en la dinàmica de fluxos bifàsics i trifàsics a través de canonades i els seus accessoris. LESLIE està pensat per obtenir mesures de paràmetres clau i caracteritzar fluxos multifàsics amb fases gasoses, líquides i sòlides, tant en canonades horitzontals com verticals. Presentem aquí noves dades experimentals per a règims intermitents en fluxos bifàsics i trifàsics en configuració horitzontal amb aire, aigua i partícules de polipropilè amb mides d'entre 1 i 2 mil·límetres. Visualitzacions del flux, mesures de pressió i fracció de buit s'han obtingut per a diferents condicions d'operació. En aquest treball investiguem l'impacte de la presència de partícules sòlides sobre la caiguda de pressió, el règim de flux i la freqüència del "slug". A més, l'anàlisi del comportament de fluxos bifàsics anulars mitjançant tècniques de processat d'imatges ha permès obtenir resultats sobre la distribució de mida de gotes.

La dinámica de los flujos trifásicos se rige por fenómenos de alta complejidad, tanto conceptual como matemática. Una mejor comprensión así como un incremento en la capacidad de predicción de su dinámica, son cruciales para el diseño y construcción de instalaciones de interés para una amplia gama de industrias.

Este trabajo de investigación presenta el diseño y montaje de LESLIE, un circuito cerrado de baja presión destinado a la investigación experimental de la dinámica de flujos bifásicos y trifásicos a través de tuberías y sus accesorios. LESLIE está pensado para obtener medidas de parámetros clave y caracterizar flujos multifásicos con fases gaseosas, líquidas y sólidas, tanto en tuberías horizontales como verticales.Presentamos aquí nuevos datos experimentales para regímenes intermitentes en flujos bifásicos y trifásicos en configuración horizontal usando aire, agua y partículas de polipropileno con tamaños de entre 1 y 2 milímetros. Visualizaciones del flujo, medidas de presión y fracción de vacío se han obtenido para diferentes condiciones de operación de flujos intermitentes. En este trabajo investigamos el impacto de la presencia de partículas sólidas sobre la caída de presión, el régimen de flujo y la frecuencia del "slug". Además, el análisis del comportamiento de flujos bifásicos anulares mediante técnicas de procesado de imágenes ha permitido obtener resultados sobre la distribución de tamaño de partícula, las cuales también se presentan en este trabajo.

The dynamics of three-phase flows involve phenomena of high complexity, whose understanding and an enhanced prediction capacity of fluid dynamics in multiphase flow systems is crucial for the design and construction of facilities meant for a wide range of industries.

This research work presents the design and set up of LESLIE, a low pressure multiphase flow loop for the experimental analysis of two and three-phase flows through pipelines and their accessories. It is designed to measure key parameters, so as to characterise the behaviour of multiphase flows involving gas, liquid and solid phases both in horizontal and vertical pipelines. New experimental data is presented in this study for intermittent two and three-phase flows in horizontal pipelines involving air, water and polypropylene pellets of sizes ranging between 1 and 2 millimetres. Flow visualization, pressure and void fraction measurements were performed and are explored in this work for the case of intermittent flows for a variety of settings. The influence of solid particles over the frictional pressure drop, flow regime and slug frequency is reported in this work. Furthermore, the analysis of the dynamics of annular two-phase flows by means of image processing techniques has allowed obtaining droplet size distributions, which are also presented in this study.