Μελέτη της διαχωρισμένης ομορροής αερίου-υγρού σε ελαφρά κεκλιμένους αγωγούς
Creators: name: Λιούμπας, Ιωάννης Σ.
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2006
Subjects: Διαχωριούμενη διφασική ομορροή
Τυρβώδη ροή
Stratified flow
Turbulent transition

description: Στην παρούσα διατριβή εξετάζεται η επίδραση του πεδίου ροής της υγρής φάσης στα κύματα της επιφάνειάς της, στην περίπτωση της διαχωρισμένης διφασικής ομορροής(υγρής και αέριας) φάσης σε κεκλιμένους αγωγούς. Από μετρήσεις της αξονικής ταχύτητας του πεδίου ροής της υγρής φάσης και την ταυτόχρονη καταγραφή των χαρακτηριστικών της υγρής στιβάδας για διάφορες παροχές της υγρής και αέριας φάσης, για εύρος κλισεων και διαμέτρων του αγωγού και για διάφορες φυσικές ιδιότητες της υγρής φάσης(υδατικά διαλύματα γλυκερίνης, οξικού οξέος και επιφανειοδραστικού), διαπιστώνεται η ύπαρξη μεμονομένων κυμάτων(solitary waves) μεγάλου πλάτους κατά την μετάβαση από τη στρωτή στη τυρβώδη ροή. Τα κύματα αυτά-που η συστηματική μελέτη και καταγραφή τους παρουσιάζεται για πρώτη φορά στη διεθνή βιβλιογραφία στην παρούσα εργασία-αποδεικνύεται ότι είναι άμεσο αποτέλεσμα της γένεσης τυρβώδων δομών στην υγρή στιβάδα για τους Reynolds παρόμοιους με αυτούς παρατηρεέται μετάβαση στην τυρβώδη ροή στη μονοφασική ροή σε οριζόντιους αγωγούς. Είναι γνωστό-από πειράματα σε μονοφασική ροή-ότι η προσθήκη μικρών ποσοτήτων επιφανειοδραστικών προκαλεί φαινόμενα σημαντικής τριβομείωσης και καθυστερεί την εμφάνιση τυρβώδων δομών στην υγρή φάση. Στην παρούσα εργασία διαπιστώνεται ότι η εμφάνιση των μεμονωμένων κυμάτων συνδέεται με τη δημιουργία τυρβώδων δομών στην υγρή φάση και ελέγχεται η επίδραση των επιφανειοδραστικών στα κύματα της επιφένειας. Από τα παραπάνω πειράματα διαπιστώνεται ότι η προσθήκη των επιφανειοδραστικών στην υγρή φάση έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία παχύτερων στιβάδων υγρής φάσης, τη μείωση του πλάτους των κυμάτων που δημιουργούνται εξ αιτίας της αέριας φάσης(roll waves) και τη σημαντική μείωσης της πίεσης. Η ερμηνεία όλων των παραπάνω φαινομένων δίνεται με τη βοήθεια μετρήσεων της αξονικής ταχύτητας στην λεπτή στιβάδα της υγρής φάσης και σχετίζεται με τη μεγαλύτερη αντίσταση της διεπιφάνειας στην αέρια φάση και τις μεταβολές που συμβαίνουν στο πεδίο ροής της υγρής φάσης εξ αιτίας της προσθήκης μικρών ποσοτήτων επιφανειοδραστικών
description: The co-current stratified gas-liquid downflow is a flow regime frequently encountered in long distance hydrocarbon pipelines, as well as in transfer lines in process plants. The accurate characterization of both the structure of the gasliquid interface and the flow field inside the liquid layer for various liquid physical properties are considered essential to understand the mechanisms involved in the evolution of waves at the transition from smooth to wavy stratified flow regime. The scope of this work is to study the transition from smooth to wavy stratified flow for various pipe inclination angles, liquid physical properties and gas-liquid flow rates. The study of the liquid flow-field structure, through local axial velocity measurements, in conjunction with the liquid layer characterization experiments is aimed at elucidating the influence of the liquid flow field on the interfacial structure. Experiments are also conducted in the absence of gas, i.e. before introducing the complication that low concentrations of surfactants can have dramatic effects on single-phase flows, relatively little is known about their effects on two-phase flows. Thus, the of co-current gas-liquid flow. Thus, experimental data on free flowing and on cocurrently flowing gas-liquid layers are reported to facilitate characterization of the liquid layer behavior. Experiments are conducted at ambient temperature and pressure in a flow rig comprised of a 24 mm i.d. Plexiglas® tube with a 7 m long straight section, which can be inclined up to 8o with respect to the horizontal, for various gas (USG=0 - 15 m/s) and liquid (USL=0 - 0.1 m/s) flow rates. Liquid layer thickness time records are acquired using a parallel-wire conductance technique from which mean layer thickness, rms and power spectra of the fluctuations, as well as wave celerities are calculated. Laser Doppler Anemometry (LDA) is employed to investigate the flow structure in the thin liquid layer both with and without interfacial shear induced by a co-current gas flow. A differential pressure transducer is used for pressure drop measurements in the liquid phase In order to study the influence of the liquid properties on the mechanisms promoting wave formation, several liquids except water are used. The viscosity effect on the observed wave patterns is examined by using an aqueous-glycerin solution covering a viscosity range, μL, (1.0 - 2.5 mPa.s). Furthermore, although it is well known that low concentrations of surfactants can have dramatic effects on single-phase flows, relatively little is known about their effects on two-phase flows. Thus, the surfactant effect on the gas-liquid stratified flow patterns is studied by using a dilute aqueous solution of a non-ionic surfactant (Tween®, 0.15% w/w). To confirm that the peculiar behavior of the surfactant solution (which has been described in a previous work conducted in this Laboratory), is due to its special chemical structure and not to its low surface tension, an aqueous acetic acid solution (30% w/w) with surface tension similar to that of the surfactant is also tested. The experimental results reveal a strong interplay between the wave evolution at the interface and the flow field development inside the liquid layer. A critical Reynolds number, ReLC, is related to the emergence of the first large-amplitude solitary wave which appears to be associated with changes of the liquid flow field structure. In particular, the new data of the liquid axial velocity profiles and liquid layer characteristics suggest that the onset of the solitary waves is strongly affected by the laminar to turbulent transition within the layer for all the types of liquids tested. It is observed that these solitary waves appear in a narrow range of ReLC ~2100-2300 for all the liquids (excepting the surfactant solution) and the gas flow rates tested. The experimental results for the case of the surfactant reveal that for the free flowing liquid layer, the transition to wavy flow occurs at higher ReL (ReL~2800) in accord with the "delayed" appearance of large-amplitude waves. However, for the cocurrent gas-liquid downflow, the transition to wavy stratified flow occurs at lower ReL (ReL ~1600-2100) as the gas flow rate increases. This trend is attributed to the fact that the addition of small quantities of surfactant to water results in higher film thickness values and in the damping of the small-amplitude waves. Furthermore, a significant reduction at the pressure drop (up to 35%) is measured when the surfactants are added in the water during gas-liquid stratified flow, probably because the surfactants act in the following ways: • weaken the turbulent ejection and sweep events within the liquid layer • dissipate the eddies originating from the gas shearing motion