Analisi sperimentale delle caratteristiche fluidodinamiche di flussi bi e trifase in condotti a sezione variabile

This work was carried out at the Multiphase Flow and Heat Transfer Laboratory of Politecnico di Milano and shows the results of some experimental campaigns aimed at the characterization of the pressure drop in variable area ducts for two and three phase flows. In particular, it is investigated the possibility of adopting devices like Venturi flowmeters and nozzles to measure the flow rate of water-air, water-oil and water-oil-air mixtures as it is usually done for single phase flows. Compared to the homogeneous model, the behaviour of the pressure drop in the converging length results highly dependent on the volume fractions for water-air flows. Conversely, for water-oil and water-oil-air flows deviations from the homogenous model are limited within few percent. In particular, for water-oil mixtures, the adoption of separated flow model to predict the pressure gradient in the flow upstream/downstream the variable area device, enabled calculating the flow rates of each phase with about 10% average error. On the other hand, extensive efforts are still required for the characterization of three-phase flows even though it was possible to establish an empirical correlation between the pressure gradient and the gas-to-liquid volume fraction in a wide range of superficial velocities. Eventually, a photographic collection of flow regimes completes the work, which could also be very useful for the validation of prospective CFD simulations of multiphase flows.

Questo lavoro, svolto presso il laboratorio di Termofluidodinamica Multifase del Politecnico di Milano, presenta: risultati di alcune campagne sperimentali volte a caratterizzare le cadute di pressione per flussi bi e trifase in condotti ad area variabile anche al fine di verificare la possibilità di impiegarli come strumenti di misura della portata, in analogia a quanto avviene per flussi monofase. In particolare sono stati considerati venturimetri e boccagli. Sono stati presi in considerazione flussi bifase aria-acqua e acqua-olio, e flussi trifase aria-acqua-olio. Mentre per i primi le cadute di pressione nel tratto convergente sono risultate fortemente dipendenti dalla ripartizione delle fasi, per quanto riguarda i flussi acqua-olio e acqua-olio-aria, si è riscontrato un comportamento simile a quello descritto dal modello omogeneo. In particolare, per i flussi acqua-olio è stato possibile accoppiare il modello omogeneo ad un modello delle cadenti che ha permesso la determinazione della portata totale e della portata delle singole fasi con errori inferiori al 10%. Molto lavoro resta ancora da fare sulla caratterizzazione dei flussi trifase sebbene sia stato possibile correlare le cadenti alla frazione volumica di gas in un ampio intervallo di variazione delle velocità superficiali. Completa il lavoro un’ampia rassegna fotografica dei regimi di moto che potrebbe risultare molto utile anche alla validazione di simulazioni CFD dei flussi multifase.