Flow pattern characterization in foamy two-phase flows by optical method

This work, carried out in the laboratory of Multiphase Thermal-Fluid Dynamics at Energy Department of Politecnico di Milano, presents the results of an experimental campaign aiming at the characterization of air-water-foam flows in a horizontal pipe. The goal is to assess the effectiveness of surfactants injection, with consequent generation of foam, to reduce liquid loading within the pipeline for natural gas transportation. The proposed analysis can be considered an integration of a previous work performed by Fasani and, in second place, the third step of the study introduced by Colombo et al. First, liquid loading measurements for gas and liquid superficial velocity ranging from 0.41 < J_G < 2.3 m/s and 0.03 < J_L< 0.06 m/s, were performed by means of a specifically developed optical method. For each superficial velocity, the minimum was found to lie in proximity of the boundary between plug and transition flow regions, for 0.44 < J_G < 0.90 m/s. From a practical point of view, it corresponds to the best condition. Zuber and Findlay models, implemented for each flow region, seem to well describe the estimated values of void fraction, but, since the drift velocity results negative, its ability to properly describe the physics of the problem is questioned. Then, plug flows was investigated for a deeper characterization of the flow pattern. The velocity of the foamy structures was found mainly influenced by the gas superficial velocity. Eventually, an estimated value of the foam superficial velocity for plug flows shows how the lower volumetric production of foam could be at the base of plug flow suppression.

Questo lavoro, svolto presso il laboratorio di termofluidodinamica multifase del Dipartimento di Energia del Politecnico di Milano, presenta i risultati di una campagna sperimentale finalizzata alla caratterizzazione di flussi aria-acqua-schiuma in tubi orizzontali. L'obiettivo è di valutare l’efficacia dell’iniezione di tensioattivi, con conseguente generazione di schiuma, nella rimozione dei liquidi all’interno dei condotti adibiti al trasporto di gas naturale. L’analisi proposta può essere considerata un’integrazione del lavoro svolto da Fasani, e in secondo luogo, la terza fase dello studio introdotto da Colombo et al. Prima di tutto, misure di liquid loading, per velocità superficiali di gas e liquido comprese tra 0.41 < J_G < 2.3 m/s and 0.03 < J_L< 0.06 m/s, sono state ottenute per mezzo di un metodo di misura ottico appositamente sviluppato. Per ciascuna velocità superficiale di liquido, il minimo valore di liquid loading è stato trovato in prossimità del confine fra le regioni di flusso a plug e transitorio, per 0.44 < J_G < 0.90 m/s. Da un punto di vista pratico esso rappresenta la migliore condizione. Modelli di Zuber e Findlay, implementati per ciascuna regione di flusso, sembrano descrivere bene il valore di void fraction stimato, tuttavia la loro capacità di spiegare la fisica del problema viene messa in dubbio. Successivamente, i flussi a plug sono stati investigati con maggiore dettaglio. La velocità dei plug schiumosi è stata trovata principalmente influenzata dalla velocita superficiale del gas. Infine, un valore stimato della velocità superficiale della schiuma mostra come una bassa produzione volumetrica di schiuma possa essere la causa della soppressione dei flussi a plug.