Effect of the down-slope on the structure and the pressure losses of an oil-water stream

The present work was performed in the Single and Multiphase Thermal-Fluid Dynamics Laboratory at the Energy Departmet of Politecnico di Milano. The methodology and the results of an experimental campaign aimed at characterizing the two-phase flow of a oil-water mixture in downward inclined pipes are here described. The goal is to assess the effects of the downslope on an oil-water stream in terms of flow patterns, distributed pressure gradients and phase holdup inside a 40 mm I.D Plexiglas® pipe. The experiments ranged within (0.56 − 1.06 m/s ) and (0.33 − 1.66 m/s ) oil and water superficial velocities, respectively. The flow patterns were qualitatively identified, a deeper analysis was also performed to study the transition from annular to stratified-wavy flow pattern, which showed to occur at lower oil velocities with respect to previous works regarding the horizontal configuration. The frictional pressure gradients were measured and the obtained results compared to mechanistic and empirical models that showed to be in good agreement with the experimental results. The phase holdup were measured by means of the quick-closing valves method and compared to horizontal configuration results and literature models, which provided good predictions. The inclination angle was confirmed to increase the slip between the phases, with an higher oil actual velocity. Eventually, the use of the drift-flux model for the liquid-liquid oil-water flow was reviewed, its applicability was confirmed and a linear relationship for the estimation of oil holdup was derived.

Il presente lavoro che si è svolto nel Single and Thermal Fluids Dynamics laboratory del Dipartimento di Energia all’interno del Politecnico di Milano, presenta le metodologie e i risultati di una campagna sperimentale indirizzata a caratterizzare il flusso bifase di una miscela acqua olio all’interno di un condotto inclinato. L’obbiettivo è valutare gli effetti dell’inclinazione sulla miscela acqua olio all’interno di un condotto in Plexiglas® di 40 mm I.D, in termini di strutture dei flussi, gradienti di pressione distribuiti e frazioni in-situ di olio e acqua. Il range di velocità superficiali su cui si sono concentrati gli esperimenti è (0.56−1.06 m/s ) e (0.33−1.66 m/s ) per olio e acqua, rispettivamente. Le strutture dei flussi sono state identificate qualitativamente per ogni coppia di velocità e inoltre è stata svolta una più approfondita analisi sulla transizione da struttura anulare a stratificata-ondosa. Quest’ultima analisi ha dimostrato che la transizione avviene per velocità superficiali dell’olio più basse rispetto ai risultati di precedenti lavori sul condotto orizzontale. Sono stati misurati poi i gradienti di pressione distribuiti e i risultati confrontati con modelli di letteratura meccanicistici ed empirici che si sono dimostrati in accordo coi dati raccolti. Le frazioni in-situ di olio e acqua sono state misurate con il metodo delle valvole a chiusura rapida e i risultati sempre confrontati con modelli di letteratura e dati del condotto orizzontale di una precedente tesi. I modelli hanno fornito stime accettabili e si è confermato che l’angolo di inclinazione aumenta lo scorrimento fra le due fasi con un aumento della velocità in-situ dell’olio. Infine, si è verificata la possibilità di applicare il modello drift-flux al caso liquido liquido della miscela acqua olio. L’applicabilità del modello è stat confermata e si è ottenuta una relazione lineare per la stima della frazione in-situ di olio.