4 Resultados experimentais
4.2 Padrões de escoamentos observados
Com o intuito de verificar a interferência do padrão de escoamento no gradiente de pressão e obter as equações de deslizamento para cada padrão observado, todos os pontos experimentais foram filmados com câmera de alta velocidade. Através de análises visuais em câmera lenta e com o auxílio de dados de gradiente de pressão, foi possível observar diversos tipos de padrões, tanto em escoamentos bifásicos, quanto em escoamentos trifásicos. O principal intuito foi, além de catalogar os padrões observados em escoamentos trifásicos, analisar visualmente o fenômeno de inversão de fase contínua e confrontar os dados visuais com os experimentais de picos de gradiente de pressão e deslizamento entre as fases líquidas.
Para os escoamentos óleo-ar foram observados os padrões bolhas, pistonado, agitante e anular para as velocidades superficiais de 0,05 m/s, 0,5 m/s, 4 m/s e 16 m/s, respectivamente. Para o escoamento trifásico, levando em consideração somente uma pseudofase líquida (mistura de água e óleo) e uma fase gasosa (ar), foram observados quatro principais padrões de escoamento: escoamento tipo bolhas, pistonado, agitante e anular. As frações de injeção de água e de óleo na fase líquida e a viscosidade do óleo não mostraram influência significativa no padrão de escoamento da fase ar, tanto para condições de óleo como fase contínua, quanto para água como fase contínua.
No entanto, foi possível subdividir cada padrão de escoamento principal descrito anteriormente em outros dois padrões de escoamento secundários, os quais são dependentes da fase contínua (fase em contato com a parede do tubo, que pode ser água ou óleo). Dessa forma, pôde-se concluir que a fração de injeção de água na fase líquida interfere de forma decisiva no padrão de escoamento trifásico.
Como pode ser observado pelas Figuras 4.6 e 4.7, podem-se determinar algumas características comuns nos padrões de escoamentos identificados, ora para o caso da água como fase contínua, ora para o caso do óleo como fase contínua. Nos padrões de escoamento com água como fase contínua, percebe-se que o óleo escoa no formato de gotas esféricas ao longo de toda a tubulação, formando um aglomerado de gotas. Com o aumento da fração de injeção de óleo no líquido, as gotas de óleo tornam-se mais próximas entre si, de forma que, gradativamente, ocorre a inversão de fase da fase líquida, formando uma dispersão de água em óleo. Nesse momento, visivelmente, foi possível observar o óleo aderido à parede do tubo.
A inversão de fase foi determinada pelas análises das filmagens feitas pela câmera de alta velocidade e pela clara mudança de tendência das curvas de gradiente de pressão.
Figura 4.6 - Padrões de escoamentos trifásicos observados para o caso de água como fase contínua.
Figura 4.7 - Padrões de escoamentos trifásicos observados para o caso de óleo como fase contínua.
Água Ar Óleo Água Ar Óleo
As principais características de cada padrão de escoamento podem ser listadas como se segue:
Padrões de escoamentos trifásicos com água como fase contínua, Figura 4.6:
WBoDo: Neste caso, observa-se água como fase contínua (W). A fase ar escoa no formato de bolhas (Bo) do tipo “cap”. A fase óleo escoa no formato de gotas de óleo (Do) no líquido com maior ou menor concentração, dependendo da fração de injeção de óleo no líquido (quanto maior a fração de injeção de óleo no líquido, maior a concentração). Tal padrão foi obtido com velocidades superficiais de ar da ordem de 0,05 m/s e para fração de injeção de água no líquido (Cwl) maiores que 0,35 (em média).
WPiBoDo: Neste padrão de escoamento trifásico, observa-se a fase água como fase contínua (W). A fase ar escoa concomitantemente em forma de bolhas de Taylor (Pi) e de bolhas esféricas (Bo). Já a fase óleo escoa no formato de gotas de óleo (Do) de maior ou menor concentração, dependendo da fração de injeção de óleo no líquido. Tal padrão de escoamento ocorreu para velocidades superficiais de ar da ordem de 0,5 m/s e para valores de
Cwl maiores que 0,35 (em média).
WChBoDo: Para este tipo de padrão de escoamento, observa-se água como fase contínua (W). O ar escoa no formato do padrão agitante (Ch), junto com bolhas (Bo). A fase óleo escoa no formato de gotas de óleo (Do) mais ou menos concentradas, dependendo da fração de injeção de óleo no líquido. Tal padrão de escoamento ocorreu para velocidades superficiais de ar da ordem de 4 m/s e para valores de Cwl maiores que 0,35 (em média).
WAnBoDo: Este tipo de padrão de escoamento também é observado com água como fase contínua (W). O padrão de escoamento da fase ar é anular (An), com pequenas bolhas de ar (Bo) na fase líquida. A fase óleo escoa na forma de pequenas gotas (Do) mais ou menos concentradas, dependendo da fração de injeção de óleo. Este tipo de padrão ocorreu para velocidades superficiais de ar da ordem de 15 m/s e com valores de Cwl maiores que 0,35 (em média).
Padrões de escoamentos trifásicos com óleo como fase contínua, Figura 4.7:
OBoDi: Para este tipo de padrão de escoamento, o óleo apresenta-se como fase contínua (O), isto é, em contato com a parede do tubo. A fase ar escoa no formato de bolhas (Bo) de grande e médio diâmetro (comparativamente ao diâmetro do tubo). Já a água encontra-se dispersa na fase óleo (Di) em uma mistura quase homogênea. Este tipo de padrão
ocorreu para velocidades superficiais de ar da ordem de 0,05 m/s e com valores de Cwl menores que 0,35 (em média).
OPiBoDi: Neste padrão de escoamento a fase óleo é a fase contínua (O) do escoamento. A fase ar escoa no formato de pistões alongados (Pi) e bolhas (Bo) de pequeno e médio diâmetro. Semelhante ao caso OBoDi, a água encontra-se dispersa (Di) na fase óleo. Este tipo de padrão ocorreu para velocidades superficiais de ar da ordem de 0,5 m/s e com valores de Cwl menores que 0,35 (em média).
OChBoDi: Neste padrão de escoamento observa-se a fase óleo como fase contínua (O). O ar escoa através da tubulação no padrão agitante (Ch) com bolhas (Bo) de médio e grande diâmetro. A fase água, como no caso OBoDi e OPiBoDi , encontra-se dispersa no óleo. Este tipo de padrão ocorreu para velocidades superficiais de ar da ordem de 4,0 m/s e com valores de Cwl menores que 0,35 (em média).
OAnBoDi: Para este padrão de escoamento também se observa a fase óleo como fase contínua (O). A fase ar escoa internamente à tubulação no formato anular (An) com pequenas bolhas na fase líquida. A água, como nos casos anteriores de padrões observados em que o óleo é a fase contínua, escoa dispersa na fase óleo. Este tipo de padrão ocorreu para velocidades superficiais de ar da ordem de 15 m/s e com valores de Cwl menores que 0,35 (em média).
Com o intuito de melhor compreender a distribuição dos padrões observados, as Figuras 4.8, 4.9 e 4.10 ilustram, para cada velocidade superficial de óleo, um gráfico de jar em função de jw, com os respectivos pontos experimentais e seus padrões de escoamento para óleo com viscosidade de 100 cP.
0,01 0,1 1 10 0,01 0,1 1 10 jw (m /s) jar (m/s)
Fronteiras por Taitel, Barnea e Duckler (1980) Cwl crit por Arirachakaran et al. (1989)
Padrão OAnBoDi Padrão WAnBoDo Padrão OChBoDi Padrão WChBoDo Padrão OPiBoDi Padrão WPiBoDo Padrão WBoDo
0,01 0,1 1 10 0,01 0,1 1 10 jw (m/ s) jar (m/s)
Fronteiras por Taitel, Barnea e Duckler (1980) Cwl crit por Arirachakaran et al. (1980)
Padrão OAnBoDi Padrão WAnBoDo Padrão OChBoDi Padrão WChBoDo Padrão OPiBoDi Padrão WPiBoDo Padrão OBoDi Padrão WBoDo
Figura 4.9 - Pontos coletados em escoamento trifásico com µo = 100 cP e jo = 0,3 m/s.
0,01 0,1 1 10 0,01 0,1 1 10 j w (m/s) jar (m/s)
Fronteiras por Taitel, Barnea e Duckler (1980) Cwl crit por Arirachakaran et al. (1980)
Padrão OAnBoDi Padrão WAnBoDo Padrão OChBoDi Padrão WChBoDo Padrão OPiBoDi Padrão WPiBoDo Padrão OBoDi Padrão WBoDo
Figura 4.10 - Pontos coletados em escoamento trifásico com µo = 100 cP e jo = 0,5 m/s.
Como pode-se observar pelas Figuras 4.8, 4.9 e 4.10, o modelo desenvolvido por Taitel, Barnea e Dukler (1980) previu de forma satisfatória os padrões de escoamento da fase gasosa. Além disso, o modelo de Arirachakaran et al. (1989) mostrou-se capaz de predizer com boa precisão os pontos experimentais em condições de água como fase contínua e óleo como fase contínua. Todos os pontos experimentais coletados em escoamentos trifásicos e bifásicos estão ilustrados no Apêndice B.2.