Analisi di caratteristiche fluidodinamiche di flussi bifase e trifase

Multiphase flows with viscous oil, water and gas are of great importance in the Oil & Gas sector. This work, carried out at the Multiphase Thermal fluid dynamics Laboratory at Politecnico di Milano, provides an analysis of some fluid-dynamic characteristics of two-phase and three-phase flows in horizontal pipelines 40 mm and 50 mm i.d., respectively. The work consisted of two parts. In the first part, experimental data about the void fraction of gas-liquid-liquid, three-phase flows served as a benchmark for correlations commonly adopted for two-phase gas-liquid flows, under the previously validated assumption that the two liquid phases behave like an equivalent liquid in a wide range of operating conditions. For the comparison, the Parity Plots were plotted and standard deviation and MAPE were calculated. Correlations base on the drift-flux model turned out to yield acceptable predictions, which worsened for the highest diameter, probably due to the greater eccentricity of the phase distribution. Unfortunately, it is impossible to state in advance which modelling approach is most suitable. However, it clearly emerges that, as the diameter increases, it is necessary to take into account the coexistence of inertial and gravitational forces, in order to improve the predictions of the void fraction. In particular, it is recommended to include the Froude number in the model formulation. In the second part, an experimental campaign was carried out measuring the pressure drop of water-oil, two-phase flow in a horizontal Plexiglas® pipe 50 mm i.d., in order to analyze the repeatability of the measurements for flow regimes characterized by a marked eccentricity of the oil core, very often near to the transition to stratified flow. Mean value and standard deviation of both the pressure gradients and the pressure drop reduction factor were calculated, showing maximum percentage deviations equal to 7,13% and 7,39%, respectively.

Data la rilevanza dei fluidi multifase composti da olio viscoso, acqua ed aria nel settore Oil&Gas, il loro studio è attualmente di grande importanza. Questo lavoro, svolto presso il laboratorio di Termofluidodinamica Multifase del Politecnico di Milano, presenta un’analisi di alcune caratteristiche fluidodinamiche di flussi bi-fase e tri-fase in condotti orizzontali in Plexiglas® aventi diametro interno di 40 mm e di 50 mm. Il lavoro è costituito da due parti. Nella prima parte si è confrontato il grado di vuoto di flussi tri-fase aria-acqua-olio misurato sperimentalmente con il grado di vuoto calcolato con le correlazioni per flussi bi-fase gas-liquido, con l’ipotesi che le due fasi liquide si comportino come “liquido equivalente”. Per il confronto tra il grado di vuoto sperimentale e quello ottenuto con le correlazioni sono stati tracciati i Parity Plot ed è stata calcolata la deviazione standard e il MAPE. Si è giunti alla conclusione che le correlazioni di tipo “drift flux” danno una previsione accettabile, che peggiorano all’aumentare del diametro, probabilmente a causa di una maggiore eccentricità della distribuzione delle fasi. Purtroppo non esiste un metodo per decidere a priori quale correlazione utilizzare a seconda dei dati sperimentali disponibili. Tuttavia, emerge chiaramente come, al crescere del diametro, sia necessario disporre di modelli che tengano in considerazione la compresenza di forze inerziali e gravitazionali, al fine di migliorare le predizioni del grado di vuoto. Nella seconda parte è stata svolta una campagna sperimentale incentrata sulla misura delle cadute di pressione di un flusso bifase acqua-olio in un condotto orizzontale in Plexiglas® avente diametro interno di 50 mm al fine di svolgere un’analisi della ripetibilità delle. Tramite la regressione lineare delle cadute di pressione è stato possibile individuare le cadenti di pressione. Per le cadenti di pressione e il fattore di riduzione di pressione sono stati calcolati i rispettivi valore medio e deviazione standard. Il valore massimo di deviazione standard relativa percentuale delle cadenti di pressione e del fattore di riduzione, tra tutte le condizioni operative, non supera rispettivamente il 7,13% e il 7,39%. Dai bassi valori di deviazioni standard ottenuti si può concludere che si ha una buona ripetibilità delle prove.