O estudo apresentado neste trabalho buscou investigar a influência do diâmetro no escoamento horizontal de água e ar. Experimentos foram realizados com quatro diferentes diâmetros de tubo (27,75; 53,55; 82,25 e 106,47 mm de diâmetro interno) em condições semelhantes de injeção de ar no escoamento de água, com mesmo comprimento de seção experimental (variando-se então a razão de comprimento por diâmetro), mesmas distâncias de medição da perda de pressão bifásica e da assinatura temporal dessa perda de pressão, além de ponto para visualização do escoamento ao final da seção de teste.
Todos os ensaios bifásicos foram precedidos por ensaios monofásicos que validaram a instrumentação utilizada com o uso de modelos de análise já bastante difundidos e consolidados na mecânica de fluidos. Os ensaios utilizando apenas água validaram também a rugosidade relativa usada nas análises matemáticas, fornecendo informações para confirmar a rugosidade relativa inferida a partir das medições de perda de pressão monofásica, caso da bancada de 27,75 mm, ou para validar a rugosidade relativa medida com instrumentos apropriados, caso dos demais diâmetros de tubo.
As combinações de velocidades de água e ar utilizadas foram determinadas de acordo com as capacidades máximas e mínimas de cada bancada montada. A discretização dos valores de velocidade superficial se deu de acordo com a observação do padrão de escoamento formado, sendo mais dividido nas regiões onde era identificada transição entre padrões.
As variáveis estudadas tiveram suas respectivas incertezas calculadas com base em metodologia com aplicação sólida no campo de metrologia de fluidos. A variável estudada mais importante foi a perda de pressão bifásica, cuja incerteza foi determinada para cada combinação de velocidades superficiais estudada e sendo influenciada principalmente pela repetibilidade nas medidas desse resultado, ou seja, na capacidade dos aparatos experimentais montados repetirem determinada medida ao se repetir as condições necessárias para isso. Lembrando que todos os pontos de velocidades superficiais foram medidos três vezes, em alguns casos a incerteza da perda de pressão bifásica mostrou-se relevante ao indicar falta de conhecimento de certo valor medido, decorrente da alta incerteza resultante, mas na maior
parte das vezes a incerteza calculada para a pressão medida resultou um valor baixo, o que assegura um bom grau de conhecimento da medida apresentada.
5.1 Conclusões
5.1.1 Mapas de padrão de escoamento
1. Foram mapeadas as regiões de transição e os seguintes padrões desenvolvidos: a. diâmetro de 27,75 mm: estratificado liso, estratificado ondulado, bolhas
alongadas, pistonado, anular e bolhas dispersas;
b. diâmetro de 53,55 mm: estratificado ondulado, bolhas alongadas e pistonado;
c. diâmetro de 82,25 mm: estratificado liso, estratificado ondulado, bolhas alongadas e pistonado;
d. diâmetro de 106,47 mm: estratificado liso, estratificado ondulado, bolhas alongadas, pistonado e bolhas dispersas;
2. A maior parte dos padrões estudados corresponde aqueles considerados intermitentes, ou seja, bolhas alongadas e pistonado;
3. A identificação dos padrões estratificados foram as de maior complexidade devido à dificuldade em manter-se permanente os regimes desses padrões por longo período de tempo;
4. A transição para o padrão pistonado acontece a velocidades superficiais de ar cada vez menores com o aumento do diâmetro do tubo.
5. O padrão estratificado ondulado desenvolve-se também na zona de transição entre o estratificado liso e o bolhas alongadas, nos tubos de 82,25 mm e 106,47 mm.
6. O padrão bolhas dispersas foi identificado na bancada de 106,47 mm na mesma faixa de velocidade superficial de água em que ocorre na bancada com 27,75 mm de diâmetro.
7. Os mapas levantados foram comparados com aqueles propostos por Taitel e Dukler (1976), Mandhane, Gregory e Aziz (1974) e Beggs e Brill (1973).
8. O mapa proposto por Taitel e Dukler (1976) é o mais indicado para os diâmetros de tubo estudados, uma vez que foi o que teve maior concordância percentual em relação aos padrões definidos nos experimentos.
5.1.2 Perda de pressão bifásica
1. Para cada determinada velocidade superficial de líquido ocorre aumenta da perda de pressão bifásica com o aumento da velocidade superficial de gás, em cada diâmetro de tubo.
2. Dada a velocidade superficial do ar ocorre o aumento da perda de pressão bifásica com o aumento da velocidade superficial da água.
3. Na mesma velocidade superficial de água e fixando-se a velocidade superficial de ar ocorre aumento da perda de pressão bifásica com a diminuição do diâmetro.
4. Observou-se que a perda de pressão bifásica, para dada velocidade superficial de líquido, tende a aumentar com a velocidade superficial de ar mas, com o aumento contínuo desta velocidade, a perda de pressão cai a um valor mínimo e depois segue aumentando com o crescimento da velocidade do ar.
5. O aumento da fração de injeção da fase gasosa também está diretamente relacionado com o aumento da perda de pressão bifásica, para dada velocidade superficial de água.
5.1.3 Influência do diâmetro
1. O valor mínimo da perda de pressão bifásica, para dada velocidade de líquido, ocorre a velocidades de ar cada vez menores a medida que aumenta o diâmetro do tubo.
2. A ocorrência da perda de pressão bifásica mínima se dá frações de injeção de ar cada vez menores, na mesma velocidade superficial de líquido, com o aumento do diâmetro.
3. Para dada velocidade superficial de líquido e fixando-se a velocidade superficial de gás, a perda de pressão bifásica deverá ser inversamente proporcional a variação do diâmetro elevado a uma potência cujo valor está entre 1,2 e 1,8. 4. A variação da perda de pressão bifásica pode ser calculada com o modelo
homogêneo, pois os resultados com esse cálculo ficaram bem próximos daqueles medidos, considerando-se a incerteza das medidas e dos cálculos, com a potência do diâmetro de 1,2
5. Os cálculos de perda de pressão bifásica com os métodos de drift propostos por Choi et al. (2012) e Bhagwat e Ghajar (2014) obtiveram resultados muito mais próximos dos medidos para o caso da perda de pressão com a variação do diâmetro, confirmando as potências do diâmetro obtidas nas regressões dos valores medidos.
6. Para dado valor Reynolds de líquido e dado valor de Reynolds de ar, a perda de pressão também deverá ser inversamente proporcional a variação do diâmetro elevado a uma potência cujo valor, nesse caso, variou entre 2,60 e 3,22.
5.1.4 Análise dos parâmetros estatísticos dos resultados em comparação com estudos
anteriores
1. O modelo homogêneo mostrou resultados bastante satisfatórios na predição da perda de pressão bifásica em todos os diâmetros de tubo.
2. Nas bancadas com diâmetro de 27,75, 53,55 e 106,47 mm o modelo que teve melhor capacidade em predizer a perda de pressão bifásica foi o homogêneo. 3. O modelo de Lockhart e Martinelli (1949) foi o de melhor capacidade em prever
a perda de pressão bifásica em comparação com os resultados da bancada com 82,25 mm de diâmetro.
4. O modelo de Beggs e Brill (1973) não foi capaz de predizer satisfatoriamente os resultados do tubo de 106,47 mm, mas para o tubo de 82,25 mm sim.
5. Nota-se a melhor aplicabilidade dos modelos de Choi et al. (2012) e Bhagwat e Ghajar (2014) para tubos de grande diâmetro, já que a predição da perda de pressão bifásica desses dois modelos melhorou com o aumento do diâmetro.
5.2 Recomendações para trabalhos futuros
1. Realizar estudo mais aprofundado da assinatura temporal de pressão diferencial buscando entender os problemas apresentados no Capítulo 4, comparando a assinatura temporal de pressão medida nas tomadas distanciadas de 100 mm e de 2,5 m.
2. Realizar estudo semelhante buscando incluir diâmetros maiores de tubo, possivelmente com tubos de mesma rugosidade, com sensores de pressão específicos também para as perdas de pressão mais baixas e, de preferência, utilizando bombas de deslocamento positivo da fase líquida.
3. Realizar estudo semelhante medindo também outras variáveis de grande importância, como fração de fase líquida e parâmetros dos pistões de líquido. 4. Estudar de forma mais aprofundada a relação dos diâmetros com os resultados
sob a ótica de adimensionais, como Froude e Weber, buscando melhor especificar a escalabilidade do diâmetro.