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dc.creatorOfuchi, Edgar Minoru-
dc.date.accessioned2024-08-16T20:12:53Z-
dc.date.available2024-08-16T20:12:53Z-
dc.date.issued2023-05-17-
dc.identifier.citationOFUCHI, Edgar Minoru. Investigation of single and two-phase flows in a radial centrifugal rotor through particle image velocimetry. 2024. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica e de Materiais) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2023.pt_BR
dc.identifier.urihttp://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/34500-
dc.description.abstractTwo-phase gas-liquid flows are commonly found in many industrial applications, e.g., chemical, nuclear, and oil industries. Several pieces of equipment handling two-phase flows show lower performance when compared to those under single-phase operation. Particularly, Electric Submersible Pumps (ESPs) can operate with gas-liquid flows during oil and gas production, representing an off-design condition that degrades their performance. Experimental studies have been performed to understand how the gas phase impairs the pump’s head, efficiency, and power consumption during two-phase flow operations. Visualization studies have also shown the gas phase behavior inside the pump channels, with the occurrence of different flow patterns that depend on the operating conditions. However, studies aiming at understanding how the gas phase affects the liquid flow field are scarce. In this context, this work employs Particle Image Velocimetry (PIV) to evaluate the liquid flow field in a radial centrifugal rotor operating with single and two-phase air-water flows. Different liquid and gas flow rates were tested, as well as different rotating speeds. Results for single-phase flow show that the rotor behaves according to kinematic similarity, and rotational periodicity between adjacent channels was observed, even at part-load operations. Analyses in different planes have shown that the velocity magnitude is higher near the hub than near the shroud, while turbulence intensities have the opposite behavior. This difference can be attributed to the flow direction change from the intake pipe to the rotor channels. Results for two-phase flow have shown that velocity reduces, whereas turbulent kinetic energy and turbulent shear stress increase for a small gas volume fraction. However, increasing the mean bubble diameter at the intake has reduced the turbulent kinetic energy. This effect could be due to energy absorption on the bubbles’ surface. Moreover, the velocity at the rotor inlet has increased by increasing the mean bubble diameter, possibly due to an area restriction caused by the bubbles. Furthermore, the turbulence has increased by increasing the liquid flow rate while keeping the gas flow rate fixed. The findings from this work have shed light on the gas-phase effect over the liquid flow field, especially on turbulence. Furthermore, the results herein presented can be used for numerical modeling validation, improving models such as turbulence enhancement or suppression caused by bubbles.pt_BR
dc.description.sponsorshipCoordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)pt_BR
dc.languageengpt_BR
dc.publisherUniversidade Tecnológica Federal do Paranápt_BR
dc.rightsopenAccesspt_BR
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by/4.0/pt_BR
dc.subjectBombas centrífugaspt_BR
dc.subjectRotorespt_BR
dc.subjectEscoamento bifásicopt_BR
dc.subjectEscoamento monofásicopt_BR
dc.subjectVelocimetria de imagem de partículaspt_BR
dc.subjectCentrifugal pumpspt_BR
dc.subjectRotorspt_BR
dc.subjectTwo-phase flowpt_BR
dc.subjectSingle-phase flowpt_BR
dc.subjectParticle image velocimetrypt_BR
dc.titleInvestigation of single and two-phase flows in a radial centrifugal rotor through particle image velocimetrypt_BR
dc.title.alternativeInvestigação do escoamento monofásico e bifásico em um rotor radial através da técnica de velocimetria por imagem de partículaspt_BR
dc.typedoctoralThesispt_BR
dc.description.resumoEscoamento bifásico líquido gás é comumente encontrado em diversas aplicações industriais, e.g., indústria química, nuclear e petrolífera. Diversos equipamentos trabalham com escoamento bifásico e estão sujeitas a uma degradação de desempenho quando comparado a operação com escoamento monofásico. Particularmente, Bombas Centrífugas Submersas (BCSs) podem operar com as fases líquida e gasosa na produção de óleo e gás. Essa é uma condição fora de projeto que reduz o desempenho da bomba centrífuga. Estudos experimentais foram desenvolvidos para entender como a fase gasosa prejudica o incremento de pressão, a eficiência e a potência da bomba centrífuga operando com escoamento bifásico. Além disso, estudos de visualização analisam o movimento do gás no interior dos canais da bomba centrífuga com escoamento bifásico. Porém, existem poucos estudos focados em entender como a fase gasosa atua sobre o campo de escoamento da fase líquida. Portanto, o presente trabalho avalia o campo de velocidades da fase líquida por meio da técnica PIV (Particle Image Velocimetry) em um rotor centrífugo radial operando com escoamento monofásico e bifásico. Diferentes vazões de líquido e gás foram testadas, bem como diferentes rotações. Os resultados monofásico mostraram que o rotor se comporta de acordo com a similaridade cinemática e também foi observado periodicidade rotacional, mesmo para baixa vazão. A análise em diferentes planos mostrou que a magnitude de velocidade é maior próximo do cubo do que próximo da coroa. Essa diferença pode ser atribuída à mudança de direção do escoamento do tubo de desenvolvimento para os canais do rotor. Resultados para escoamento bifásico mostraram que a velocidade reduz enquanto a energia cinética turbulenta e a tensão cisalhante de Reynolds aumentam para baixas frações volumétricas de gás. Entretanto, o aumento do diâmetro médio da bolha na entrada reduziu a energia cinética turbulenta. Tal efeito pode ter ocorrido devido à absorção de energia na interface da bolha. Além disso, a velocidade na entrada do rotor aumentou aumentando o diâmetro médio da bolha, o que pode ser devido a uma restrição de área causada pela bolha. Também, a turbulência da fase líquida aumentou com o aumento da vazão de líquido, a partir da vazão de máxima eficiência, enquanto a vazão de gás foi mantida constante. Os resultados deste trabalho trouxeram esclarecimentos sobre o efeito da fase gasosa sobre o campo de escoamento da fase líquida. Além disso, os resultados apresentados podem ser utilizados para validação de modelos numéricos, melhorando modelos como aumento e supressão de turbulência causada pelas bolhas.pt_BR
dc.degree.localCuritibapt_BR
dc.publisher.localCuritibapt_BR
dc.creator.IDhttps://orcid.org/0009-0004-0084-3638pt_BR
dc.creator.Latteshttp://lattes.cnpq.br/8442504376858336pt_BR
dc.contributor.advisor1Melgarejo Morales, Rigoberto Eleazar-
dc.contributor.advisor1IDhttps://orcid.org/0000-0003-3297-7361pt_BR
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/5156573817670917pt_BR
dc.contributor.advisor-co1Azevedo, Henrique Stel de-
dc.contributor.advisor-co1Mancilla, Ernesto-
dc.contributor.advisor-co1IDhttps://orcid.org/0000-0003-3403-982Xpt_BR
dc.contributor.advisor-co1IDhttps://orcid.org/0000-0001-8215-6874pt_BR
dc.contributor.advisor-co1Latteshttp://lattes.cnpq.br/4520319278466515pt_BR
dc.contributor.advisor-co1Latteshttp://lattes.cnpq.br/9366440884823115pt_BR
dc.contributor.referee1Paladino, Emilio Ernesto-
dc.contributor.referee1IDhttps://orcid.org/0000-0001-5788-073Xpt_BR
dc.contributor.referee1Latteshttp://lattes.cnpq.br/1379773445574323pt_BR
dc.contributor.referee2Schneider, Fábio Alencar-
dc.contributor.referee2IDhttps://orcid.org/0000-0003-0318-3511pt_BR
dc.contributor.referee2Latteshttp://lattes.cnpq.br/8102163369159451pt_BR
dc.contributor.referee3Marcelino Neto, Moisés Alves-
dc.contributor.referee3IDhttps://orcid.org/0000-0001-5492-6640pt_BR
dc.contributor.referee3Latteshttp://lattes.cnpq.br/2071333457212415pt_BR
dc.contributor.referee4Melgarejo Morales, Rigoberto Eleazar-
dc.contributor.referee4IDhttps://orcid.org/0000-0003-3297-7361pt_BR
dc.contributor.referee4Latteshttp://lattes.cnpq.br/5156573817670917pt_BR
dc.contributor.referee5Estevam, Valdir-
dc.contributor.referee5IDhttps://orcid.org/0000-0001-9532-5796pt_BR
dc.contributor.referee5Latteshttp://lattes.cnpq.br/9264004380006248pt_BR
dc.publisher.countryBrasilpt_BR
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica e de Materiaispt_BR
dc.publisher.initialsUTFPRpt_BR
dc.subject.cnpqCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::ENGENHARIA TERMICApt_BR
dc.subject.capesEngenharia Mecânicapt_BR
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