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Inicialmente, foi reapresentada a grade de testes utilizada como base para realização dos experimentos. Em seguida foi abordada a análise fenomenológica do escoamento, com análise dos resultados obtidos com os sensores resistivos e das imagens.

A influência da viscosidade da fase líquida começa na inicialização do escoamento, com o aumento da fração de líquido e redução da tensão interfacial, o que facilita o processo de geração das golfadas. O aumento da viscosidade e da diferença de densidade entre as fases causam o efeito inverso, de dificultar a geração das ondas que resultam na geração das golfadas.

O formato do nariz da bolha é afetado pelo número de Froude da mistura. Com o aumento do número adimensional o nariz descola do topo da tubulação e tende a ficar no centro do tubo. Efeito semelhante é observado mantendo o número de Froude e aumentando a viscosidade da fase líquida. O aumento da viscosidade causa uma redução da turbulência do escoamento, com isso há uma redução da recirculação que ocorre na traseira da bolha alongada. Essa recirculação é uma das responsáveis pela aeração do pistão e fragmentação das bolhas dispersas. Além disso, com o aumento da viscosidade se torna evidente outro mecanismo de aeração dos pistões, os plunging jets que são responsáveis pelo encapsulamento de porções de gás da bolha alongada que se tornam bolhas dispersas. O tamanho da cúspide que se forma com o fenômeno de plunging jets é função da viscosidade do fluido, velocidade da mistura e tensão interfacial.

O incremento da viscosidade do líquido e redução da tensão interfacial aumentam o diâmetro das bolhas dispersas no pistão de líquido. Com isso elas deixam de se distribuir uniformemente e tendem a ficar na parte superior da tubulação. Além disso, há a mudança do formato esférico para um formato elipsoidal das bolhas dispersas.

Quanto aos parâmetros do escoamento em golfadas, a velocidade da bolha alongada aumentou com o incremento da viscosidade. Tendência semelhante é encontrada para a frequência das golfadas em grande parte dos pontos experimentais, contudo foi observado um decrescimento em pontos com velocidades superficiais do líquido maiores que a do gás e Froude da mistura maior que 3. Esse decrescimento pode estar relacionado com o aumento da coalescência das bolhas.

Os comprimentos do pistão de líquido e bolha alongada apresentaram um decrescimento de tamanho com o incremento da viscosidade nos mesmos pontos em que a frequência aumentou. Sendo que para todos os pontos experimentais, houve uma redução do desvio padrão do comprimento do pistão com o incremento da viscosidade.

Também foi observado o aumento da queda de pressão com o incremento da viscosidade da fase líquida, devido ao aumento da tensão de cisalhamento, sendo proposta uma adaptação ao modelo de queda de pressão de Lockhart e Martinelli (1949) com a inclusão de um fator de correção que inclui o efeito da viscosidade do líquido.

Na Tabela 4.6 é apresentado um resumo dos efeitos esperados no escoamento.

Tabela 4.6 – Resumo dos efeitos esperados no escoamento

Variável Efeito

Aumento da viscosidade do líquido

Aumento da fração de líquido, da velocidade da bolha alongada, da frequência das golfadas, da queda de pressão, da tensão de cisalhamento, da aeração do

pistão.

Redução das ondas na formação das golfadas, da turbulência, dos comprimentos do pistão e bolha

alongada. Redução da tensão

interfacial

Aumento da frequência das golfadas e do diâmetro das bolhas dispersas.

Aumento da diferença de densidade entre as

fases

Redução das ondas durante a geração das golfadas.

5 CONCLUSÕES

O objetivo deste trabalho foi avaliar a influência da viscosidade da fase líquida no escoamento bifásico líquido-gás no padrão golfadas. Para isso, foi realizada a revisão sobre escoamento em golfadas e seus parâmetros característicos. Apresentou-se os principais modelos estacionários para esse padrão de escoamento, entre eles Dukler e Hubbard (1975) e Taitel e Barnea (1990).

A modelagem transiente para o padrão de escoamento em golfadas apresenta duas abordagens distintas: euleriana e lagrangeana. Foram citados trabalhos presentes na literatura que avaliam o efeito da viscosidade no escoamento em golfadas. Dentre as principais conclusões dos autores estão que o aumento da viscosidade reduz o comprimento da célula unitária e a velocidade de deslizamento da bolha alongada, e que há um aumento na frequência das golfadas, fração de líquido e velocidade da bolha alongada. Porém, esses estudos, na sua maioria, são realizados para fluidos de alta viscosidade, acima de 100 cP. O grande diferencial deste trabalho está na avaliação de viscosidades consideradas médias, 1 a 30 cP, onde é possível avaliar os efeitos que as pequenas alterações na viscosidade já causam nos parâmetros do escoamento.

As medidas experimentais foram realizadas na bancada do NUEM da UTFPR com obtenção de dados experimentais para a comparação e validação das metodologias propostas. Foi utilizada uma bancada horizontal com aproximadamente 8,65 m de comprimento, com quatro estações de medições ao longo da tubulação, cada uma delas com um par de sensores resistivos para extrair parâmetros característicos do escoamento em golfadas. Adicionalmente foi posicionada uma câmera de alta taxa de aquisição, a qual foi utilizada para verificação dos medidores e captura de imagens para permitir a comparação dos escoamentos para diferentes viscosidades. Os fluidos testados foram ar e água e ar com misturas de água e glicerina, sendo avaliadas as viscosidades da fase líquida 1 cP, 5 cP, 10 cP, 15 cP, 20 cP e 30 cP, em 30 combinações de vazões das fases, as quais foram definidas de forma a se ter o escoamento no padrão golfadas em toda a tubulação.

As misturas de água e glicerina foram caracterizadas em um viscosímetro para identificar quais concentrações de água e glicerina eram necessárias para obter

todas as viscosidades desejadas. Como a condutividade da água muda bastante quando adicionada glicerina, foram realizados testes de sensibilidade do sensor resistivo a fim de se certificar que essa eletrônica era capaz de extrair parâmetros característicos do escoamento.

A influência da viscosidade no escoamento começa no processo de geração das golfadas. Com o incremento da viscosidade da fase líquida, há o aumento da fração de líquido na tubulação e redução da tensão interfacial facilitando o processo de geração das golfadas. Porém, há também o incremento da diferença de densidades entre as fases e da viscosidade da fase líquida que tem o efeito de dissipativo na formação das ondas que geram as golfadas.

O formato do nariz da bolha alongada torna-se mais fino e com a interface lisa com o incremento da viscosidade devido aos efeitos de redução da turbulência do escoamento e redução da tensão interfacial. Esses dois efeitos também afetam a traseira da bolha e aeração do pistão. Com a redução da turbulência há diminuição da zona de recirculação na traseira da bolha alongada, que é um dos fenômenos que causam aeração do pistão e fragmentação das bolhas dispersas no pistão de líquido. Há o aparecimento de um fenômeno chamado plunging jets que é o encapsulamento de porções de gás da bolha alongada que se descolam da bolha e se tornam aeração do pistão. Esse fenômeno é influenciado pela viscosidade do fluido, velocidade da mistura e tensão interfacial. As bolhas dispersas no pistão de líquido se tornam maiores com o incremento da viscosidade e redução da tensão interfacial e passam a se posicionar na parte superior da tubulação.

A velocidade da bolha aumentou com o incremento da viscosidade, devido ao aumento da velocidade da mistura (maior expansão do gás) e mudanças no nariz da bolha. Foi proposta uma correlação para a velocidade da bolha alongada que leva em consideração o incremento da viscosidade do fluido. O efeito da viscosidade na frequência das golfadas é uma competição de forças, na qual tem-se a facilidade de formação das golfadas com o aumento da altura de líquido e redução da tensão interfacial e ao mesmo tempo o aumento da dificuldade da formação com o aumento da densidade e forças dissipativas devido à viscosidade. Além da redução da turbulência e a tensão interfacial agindo juntas para reduzir o número de coalescência das bolhas alongadas. Dessa forma não foi observada uma tendência única quanto ao efeito da viscosidade na frequência. Na maioria dos pontos foi observado um aumento da frequência das golfadas, exceto em pontos experimentais

com número de Froude da mistura superior a 3 e velocidades superficiais de gás muito menores que a do líquido.

Os comprimentos da bolha alongada e pistão de líquido demonstraram tendência contrária a frequência das golfadas. Os pontos experimentais que apresentaram aumento da frequência tiveram decrescimento dos comprimentos com o incremento da viscosidade da fase líquida. Ao mesmo tempo que, os que apresentaram redução da frequência, tiveram aumento dos comprimentos. Outro efeito da viscosidade é a redução do desvio padrão do comprimento do pistão com o incremento da viscosidade do líquido.

Também foi observado o aumento da queda de pressão com o incremento da viscosidade da fase líquida devido ao aumento da tensão de cisalhamento, sendo proposta uma adaptação ao modelo de queda de pressão de Lockhart e Martinelli (1949) com a inclusão de um fator de correção que inclui o efeito da viscosidade do líquido.

Levando em consideração os resultados obtidos com esse estudo, são feitas algumas sugestões para o desenvolvimento de trabalhos futuros:

 Expansão da grade de testes para desenvolvimento de correlações mais confiáveis;

 Desenvolver o estudo em tubulações mais longas para ser possível analisar o desenvolvimento do escoamento;

 Utilização de outras técnicas de medição tais como PIV, para melhor análise dos fenômenos;

 Analisar o efeito de outras viscosidades, fluidos e diâmetros nos parâmetros característicos do escoamento;

 Avaliar os efeitos causados pelo misturador e pela saída no escoamento em golfadas.

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