Experimental characterization of air-water foamy flows

This work, carried out in the laboratory of Multiphase Thermal-Fluid Dynamics at Energy Department of Politecnico di Milano, presents the results of two experimental campaigns aiming at the characterization of a two-phase air-water flow in a horizontal pipe in the presence of surfactants, with the consequent generation of foam. Specifically, flow patterns, pressure drop and void fraction have been experimentally measured and analyzed. Two inner pipeline diameters were chosen to conduct the analysis ID = 30 mm and ID = 60 mm, having superficial gas velocities ranging from 2.67 to 8.17 m/s and 0.41 to 2.31 m/s respectively. First, air-water flow without surfactant was investigated: pressure drop and liquid holdup were measured to set the reference frame of the work. The results were compared against models reported in the open literature. With respect to the ID = 60 mm configuration both the Taitel and Dukler and the Ullmann and Brauner models failed in predicting pressure drop and liquid holdup at low gas superficial velocity, therefore the experimental results were used to obtain an empirical correlation for the interfacial shear stress. Then after the reference frame was set, air-water-foam flows were investigated: two main flow patterns were observed: plug flow at low gas velocity, stratified-wavy at higher velocity. Foam quality, pressure drop and void fraction were measured in the whole considered range. An optical probe was developed and subsequently upgraded to measure the liquid height variation. Eventually the flow conditions were simulated with OLGA® software. The foam rheological properties, determined in a previous campaign, have been considered through the Herschel-Bulkley model with the yield stress varying through time due to foam decay. The results show good agreement of the uniform velocity profile and static foam properties at t = 0 s for the ID = 60 mm pipeline setup, with a pressure drop overestimation of 29 %; on the other hand the pressure gradient relative to the ID = 30 mm pipeline is well predicted when considering the linear velocity profile and foam properties at t = 2000 s from the generation, with a pressure drop overestimation of 5 %.

Questo lavoro, svolto nel laboratorio di Termofluidodinamica Multifase del Dipartimento di Energia del Politecnico di Milano, presenta i risultati di due campagne sperimentali volte alla caratterizzazione di un flusso bifase aria-acqua in una condotta orizzontale in presenza di tensioattivi, con la conseguente generazione di schiuma. In particolare, sono stati misurati e analizzati sperimentalmente: regimi di moto, cadute di pressione e frazione di vuoto. Le campagne sperimentali sono state svolte su condotti aventi diametri interni di 30 mm e 60 mm, con velocità superficiali del gas comprese rispettivamente tra 2.67 e 8.17 m/s e tra 0.41 e 2.31 m/s. Inizialmente è stato caratterizzato il flusso aria-acqua senza tensioattivo: sono state misurate la caduta di pressione e la frazione di liquido per impostare il quadro di riferimento dell'analisi. I risultati sono stati confrontati con i modelli riportati in letteratura. Per quanto riguarda la configurazione con diametro interno 60 mm, i modelli Taitel e Dukler e Ullmann e Brauner non sono riusciti a prevedere la caduta di pressione e la frazione di liquido a bassa velocità superficiale del gas; i risultati sperimentali sono stati utilizzati per ottenere una correlazione empirica per lo sforzo interfacciale. Dopo aver impostato il quadro di riferimento, sono stati studiati i flussi aria-acqua-schiuma e sono stati osservati due modelli di flusso principali: flusso a plug a bassa velocità del gas, ondulato-stratificato a velocità più elevata. La foam quality (frazione di gas), la caduta di pressione e la frazione di vuoto sono state misurate nell'intero intervallo considerato. Una sonda ottica è stata sviluppata e successivamente aggiornata per misurare la variazione di altezza del liquido. Infine le condizioni di flusso sono state simulate con il software OLGA®. Le proprietà reologiche della schiuma, determinate in una campagna precedente, sono state considerate attraverso il modello di Herschel-Bulkley con la riduzione dello yield stress nel tempo a causa del decadimento della schiuma. I risultati mostrano un buon accordo tra il profilo di velocità uniforme e le proprietà della schiuma statica a t = 0 s per la configurazione con diametro interno 60 mm, con una sovrastima della caduta di pressione del 29%; d'altra parte il gradiente di pressione relativo alla configurazione con diametro interno 30 mm è ben predetto se si considerano il profilo di velocità lineare e le proprietà della schiuma a t = 2000 s dalla generazione, con una sovrastima della caduta di pressione del 5%.