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http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/39941| Título: | Influence of the liquid viscosity on the characteristic parameters in gas-liquid slug flow in vertical pipes |
| Título(s) alternativo(s): | Influência da viscosidade nos parâmetros característicos do escoamento gás-líquido em golfadas em tubulações verticais |
| Autor(es): | Rodrigues, Carolina Cimarelli |
| Orientador(es): | Melgarejo Morales, Rigoberto Eleazar |
| Palavras-chave: | Escoamento bifásico Viscosidade Gás - Escoamento Engenharia do petróleo Bolhas (Física) Mecânica dos fluidos Two-phase flow Viscosity Gas flow Petroleum engineering Bubbles Fluid mechanics |
| Data do documento: | 26-Set-2025 |
| Editor: | Universidade Tecnológica Federal do Paraná |
| Câmpus: | Curitiba |
| Citação: | RODRIGUES, Carolina Cimarelli. Influence of the liquid viscosity on the characteristic parameters in gas-liquid slug flow in vertical pipes. 2026. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica e de Materiais) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2025. |
| Resumo: | Em escoamentos bifásicos líquido-gás, o padrão de golfadas é caracterizado pela passagem alternada de uma bolha alongada e um pistão de líquido. Esse padrão pode ser encontrado em muitos processos industriais, sendo particularmente comum na produção de petróleo. A literatura apresenta um número extenso de estudos sobre escoamento em golfadas verticais usando água como fase líquida, e poucos com óleos de alta viscosidade (µL > 180 cP). De modo que, os modelos atuais de escoamento bifásico são baseados em dados experimentais com viscosidades baixas (µL < 10 cP) e altas (µL > 180 cP). No entanto, a maioria dos poços de petróleo no Brasil produz óleos de viscosidade média (10 < µL < 180 cP), para os quais existem poucos modelos ou dados empíricos. Nesse contexto, este trabalho avaliou a influência da viscosidade do líquido na evolução dos parâmetros característicos do escoamento bifásico em golfadas vertical, com foco em viscosidades médias na faixa entre 1 e 30 cP. Essa investigação foi conduzida experimentalmente em um tubo transparente com 50 mm de diâmetro interno e uma seção vertical de 15 m de altura. Os fluidos de teste foram ar e misturas de água com glicerina. Quatro sensores de condutância e um sensor capacitivo do tipo wire-mesh foram instalados na seção de testes para medir os parâmetros característicos — velocidade translacional da bolha de Taylor, frequência da célula unitária, comprimentos e frações de gás da bolha de Taylor e do pistão de líquido — a fim de avaliar o papel da viscosidade do líquido nesses parâmetros. Imagens de alta velocidade também foram usadas para inspecionar visualmente o efeito da viscosidade na estrutura do padrão de escoamento. A evolução dos parâmetros característicos do escoamento em golfadas também foi estudada. Os resultados mostraram três zonas distintas dentro de uma célula unitária: a bolha de Taylor, a esteira e o pistão de líquido. Verificou-se que, à medida que a viscosidade do líquido aumenta, o formato da bolha de Taylor (nariz, cauda e ondulações no corpo da bolha) torna-se mais distorcido, e o pistão de líquido contém menos bolhas, porém de maior tamanho, que tendem a migrar para a linha central do tubo. Viscosidades mais altas também resultam em bolhas de Taylor e pistões de líquido mais curtos, além de aumentar a velocidade translacional das bolhas. Adicionalmente, o fator de intermitência apresenta uma distribuição bimodal quando a célula unitária é definida como uma bolha de Taylor seguida por um pistão de líquido. Em contraste, observa-se uma distribuição normal quando a célula unitária começa com um pistão de líquido. Para a água, ambas as configurações apresentaram distribuição normal. Os dados experimentais foram ainda comparados com previsões do modelo clássico de Célula Unitária, mostrando boa concordância para a fração global de gás e queda de pressão; entretanto, o modelo apresentou desempenho inferior na estimativa da fração de gás na região da bolha de Taylor. |
| Abstract: | In two-phase gas-liquid flows, the slug pattern is characterized by the alternated passage of an elongated bubble and a liquid slug. This pattern can be found in many industrial processes, being particularly common in petroleum production. The literature reports an extensive number of studies on vertical slug flows using water as the liquid phase, and a limited number using high-viscosity oils (µL > 180 cP). Therefore, the current two-phase flow models are based on experimental data with low (10 cP < µL) and high (µL > 180 cP) liquid viscosities. Nevertheless, most petroleum wells in Brazil produce oils with medium viscosity (10 < µL < 180 cP), for which models or empirical data are scarce. In this context, the influence of the liquid viscosity on the evolution of the characteristic parameters of vertical two-phase slug flows was evaluated, focusing on medium viscosities in the range between 1 and 30 cP. This investigation was carried out experimentally in a 50-mm ID, 15-m high vertical section of transparent pipe, with its outlet open at atmospheric pressure. The test fluids were air and water–glycerin mixtures. Four conductance sensors and one capacitive wire-mesh sensor were deployed in the test section to measure the characteristics parameters – namely the Taylor bubble translational velocity, the unit-cell frequency and lengths and gas fractions of both the Taylor bubble and the liquid slug in order to evaluate the role of the liquid viscosity in these parameters. High-speed imaging was also used to visually characterize the effect of the viscosity on the flow pattern structure. The evolution of the slug flow characteristic parameters in a horizontal-to-vertical flow loop was analyzed. Results confirmed the existence of three distinct zones within a unit-cell: the Taylor bubble, its wake, and the liquid slug. As the liquid viscosity increases, the Taylor bubble shape (nose, body and rear) became more distorted, with the liquid slug containing fewer but larger bubbles, which tended to migrate toward the pipe centerline. Higher viscosity also resulted in shorter Taylor bubbles and liquid slugs, along with an increase in the bubble translational velocity. Additionally, the intermittence factor exhibited a bimodal distribution when the unit-cell was defined as a Taylor bubble followed by a liquid slug, whereas a unimodal distribution was observed for a unit-cell beginning with a liquid slug. For water, both configurations exhibited a normal distribution. The experimental data were further compared with predictions from the classical Unit-Cell Model, showing good agreement for global gas fraction and pressure drop; however, the model underestimated the gas fraction in the Taylor bubble region. |
| URI: | http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/39941 |
| Aparece nas coleções: | CT - Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica e de Materiais |
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