Experimental and numerical analysis of multiphase flow within horizontal pipeline with variable cross-sectional area

The main purpose of this thesis is to study the hydrodynamic behavior of high viscous oil-water flow within the ducts with variable cross-sectional area. Experimental investigation, theoretical modeling and CFD simulation approaches were conducted. Another part of this thesis is devoted to the high viscous oil-water-air mixture in a horizontal straight tube. Experimental results on high viscous oil-water flow through sudden contraction and expansion were discussed, the main flow parameters such as distributed and concentrated pressure drop, flow pattern, and phase holdup were reported. Three pipe configurations for sudden expansion (21-30 mm, 30-40 mm, and 30-50 mm) and one case for sudden contraction (30-21 mm) were selected. The main flow patterns included core-annular and dispersed flows. It was concluded that for the largest cross-sectional area change (30-50 mm), the dominant flow pattern resulted dispersed flow, whereas core-annular flow was the major flow pattern in the other configurations. The presence of sudden expansion caused the oil-water flow to be more eccentric. A mechanistic model based on the Two-Fluid Model (TFM) for fully-developed Core-Annular flow of oil-water mixtures was developed. A new correlation to compute water holdup as a function of measured pressure gradient, superficial water velocity, rheological properties of water was developed. Two differential pressure flow meters (VFM and NFM) have been developed to measure volumetric mixture flow rate. The mixture superficial velocity has been calculated by adoption of the theoretical approach of Bernoulli’s equation and introducing the definition of discharge coefficient from calibration curve. CFD simulation of very viscous oil-water flow through measurement devices (VFM and NFM) as well as sudden expansion was studied by means of commercial CFD code Fluent, most important aspects of flow such as oil holdup, pressure gradients and flow patterns were predicted. It was shown that, CFD simulation was able to predict the core eccentricity without oil contact at the pipe wall during core-annular flow. This is consistent with flow visualization observed experimentally. The concentrated pressure drop through the convergent section of the VFM and NFM computed by CFD showed a very good agreement with experimental data. The results of an experimental campaign devoted to three-phase flow of very viscous oil-water-air mixtures in a straight horizontal pipe (40 mm i.d.) were reported. Slug body, elongated bubble and total slug unit lengths were experimentally measured by optical probes. It was concluded that superficial gas velocity has a considerable effect on slug body and bubble length, that is, the higher the superficial gas velocity, the higher the slug body and bubble length.

Obiettivo di questa tesi è lo studio del comportamento idrodinamico di un flusso bifase di olio ad alta viscosità e acqua, all’ interno di condotti orizzontali con sezione variabile. Nel lavoro di tesi sono state condotte prove sperimentali, modellazione teorica e simulazioni CFD. La parte finale di questa tesi è inoltre dedicata a flussi trifase di olio ad alta viscosità, acqua e aria in un condotto rettilineo orizzontale. In particolare, sono stati acquisiti dati sperimentali riguardo al flusso di olio e acqua attraverso brusche variazioni della sezione del condotto (restringimento ed espansione). I risultati sono stati discussi, descrivendo i parametri principali, come la perdita di carico distribuita e concentrata, i regimi di moto, e l’ holdup. Sono stati selezionate tre configurazioni di condotto per il caso di brusca espansione (21-30 mm, 30-40 mm, 30-50 mm) e una configurazione per brusco restringimento (30-21 mm). I principali regimi di moto sono il flusso anulare e il flusso disperso. Si è concluso che a una maggiore variazione della dimensione di sezione (30-50 mm) corrisponde un regime prevalentemente disperso, mentre il flusso anulare è dominante nelle altre configurazioni. La presenza di una brusca espansione, inoltre, rende il flusso anulare più eccentrico. È stato sviluppato un modello fisico a due fluidi (Two-Fluid Model) per un flusso anulare completamente sviluppato della miscela olio-acqua allo scopo di sviluppare una relazione per il calcolo dell’ holdup dell’ acqua espresso in funzione del gradiente di pressione misurato, della velocità superficiale dell’ acqua e delle proprietà reologiche dell’ acqua. Sono poi stati considerati condotti con variazione graduale della sezione di passaggio. In particolare, due misuratori differenziali di pressione (un venturimetro, VFM, e un boccaglio, NFM) sono stati sviluppati per misurare la portata volumetrica di miscela. La velocità superficiale della miscela è stata calcolata adottando l’approccio teorico dell’equazione di Bernoulli e deducendo del coefficiente di scarico dalla curva di calibrazione. Sono state realizzate simulazioni CFD del flusso della miscela sia attraverso i flussimetri (VFM e NFM) sia attraverso la brusca espansione, utilizzando il software commerciale Fluent: gli aspetti più importanti del flusso come l’holdup dell’olio, i gradienti di pressione e i regimi di moto sono stati simulati e confrontati con i risultati sperimentali. In particolare, la simulazione CFD dei moti anulari è stata in grado di prevedere l’eccentricità del nucleo di olio in assenza di contatto tra olio e parete del condotto. La perdita di carico concentrata attraverso la sezione convergente di VFM e NFM, analizzata mediante simulazione CFD, ha mostrato un buon accordo con i dati sperimentali. Infine, l’attenzione è stata rivolta a flussi trifase di olio molto viscoso, acqua e aria in un condotto rettilineo orizzontale (40 mm d.i.). Mediante sonde ottiche sono stati misurate le caratteristiche geometriche degli slug. Si è concluso che l’aumento della velocità superficiale del gas determina un incremento delle lunghezza dello slug body e dell’elongazione delle bolle.