Experimental study of air-water flows in horizontal and vertical pipes

In the present work, pressure drop measurements have been compared with a selection of existing models for multiphase flow pressure prediction from literature. Pressure drop measurements were obtained thanks to an experimental campaign, which took place in the laboratory of the Petroleum Institute of TU University of Clausthal, in Germany. The tests were run using a plexiglass pipe, 6 m long and with 4 cm internal diameter, where a two-phase flow of water and air was flowing, in horizontal and vertical layout. Pressure drop measurements were performed at the inlet and at the outlet of the conduit, by the use of suitably placed pressure pinches. Afterwards, pressure gradients were compared to models, properly chosen among the literature in such a way to have the possibility of comparison of all types of existing models, applicable to the considered laboratory. For the horizontal-flow case, the following separated-flow models were chosen: Lockhart-Martinelli (1949), Friedel (1979) and Muller-Steinhagen-Heck (1989). The selection of homogeneous-flow models considered McAdams (1942) and Shannak (2008). For complete comparison, flow pattern-based model Dukler & Hubbard (1975) for slug flow was included in the study. For vertical up-flowing pipe, among the empirical flow models, the most conventional ones were selected: Duns-Ros (1961), Hagedorn-Brown (1965), Orkiszewski (1967) and Beggs-Brill (1973). Among the most recent mechanistic models, Aziz-Govier-Fogarasi (1972) and Hasan-Kabir (1992) have been considered. Although the applied correlations are largely used in industrial software since they are considered reliable, no exceptional performing result was obtained. Some models presented excessive deviations from the measurements (Lockhart-Martinelli (1949) with MARD 124%, Dukler & Hubbard (1975) with MARD 59%), whereas other correlations’ results were more satisfactory (Friedel (1979) with MARD 16%, Hagedorn-Brown (1965) with MARD 19%, Duns-Ros (1961) with MARD 16%, Hasan-Kabir (1992) with MARD 15%).

Nel presente studio sono state confrontate misure di cadute di pressione con vari modelli già presenti in letteratura. Tali misure sono state ottenute durante una campagna sperimentale svoltasi presso il Laboratorio del Dipartimento di Ingegneria del Petrolio dell’Università di Clausthal in Germania. I test in laboratorio sono stati eseguiti con un condotto in plexiglass, di 6 m di lunghezza e con diametro di 4 cm, all’interno del quale è stato fatto scorrere un flusso bifase aria/acqua, sia in assetto orizzontale che verticale. Le misurazioni di caduta di pressione sono state effettuate alle due estremità del condotto tramite opportune prese di pressione debitamente posizionate. I gradienti di pressione sono stati successivamente confrontati con modelli già presenti in letteratura, considerandone di diverse tipologie per tenere conto delle varie condizioni operative analizzate sperimentalmente. Per l’assetto orizzontale sono stati scelti, tra i modelli a flussi separati: Lockhart-Martinelli (1949), Friedel (1979) e Muller-Steinhagen-Heck (1989). Per quanto riguarda i modelli a flusso omogeneo: McAdams (1942) e Shannak (2008). Infine, per completezza, si è voluto anche applicare il modello Dukler & Hubbard (1975) sviluppato esclusivamente per il moto a slug. Mentre per l’assetto verticale tra i modelli empirici sono stati scelti i più classici: Duns-Ros (1961), Hagedorn-Brown (1965), Orkiszewski (1967) e Beggs-Brill (1973). Tra i più recenti modelli meccanistici sono stati considerati: Aziz-Govier-Fogarasi (1972) e Hasan-Kabir (1992). Nonostante i modelli scelti siano tutti ampiamente riconosciuti e utilizzati a livello di software industriali perché considerati validi, non si è ottenuto un risultato altamente performante. Alcuni modelli hanno presentato deviazioni dalle misure eccessivamente alte (Lockhart-Martinelli (1949) con MARD 124%, Dukler & Hubbard (1975) con MARD 59%), altri invece hanno dato risultati soddisfacenti (Friedel (1979) con MARD 16%, Hagedorn-Brown (1965) con MARD 19%, Duns-Ros (1961) con MARD 16%, Hasan-Kabir (1992) con MARD 15%).