Characterization of three-phase air-water-oil in a downward inclined pipe : pressure gradient and interfacial wave parameters.

The present thesis work was developed at the “Single and Multiphase Thermal-Fluid-Dynamics Laboratory” at the Energy Department of Politecnico di Milano. The goal is to characterize the flow patterns, the pressure drop, and the wave parameters of a three-phase air-water-oil system, through an experimental campaign within a 40 mm I.D. Plexiglas®pipe, downward inclined by 15°. Superficial velocities were considered, ranging for the air between 0.75 and 2.25 m/s, for the water between 0.66 and 1.33 m/s, and for the oil between 0.54 and 1.08 m/s. The flow patterns identified in a previous campaign were compared based on the maps available in the open literature. The frictional pressure gradient and wave frequency were measured and compared to mechanistic and empirical models, while the pictures taken in the previous experimental campaign were used to measure the other wave parameters, like wave amplitude and wavelength. The results highlight a good prediction of the wave parameters when the data are correlated with the gas-liquid Froude numbers. The measured frictional pressure gradients were then compared with the models of Taitel & Dukler and Ullmann & Brauner considering nine different bulk viscosity correlations for the liquid mixture. Good agreement with the experimental results is achieved when the correlations of Toshiba and Brinkman are implemented to evaluate respectively the oil holdup and the equivalent mixture bulk viscosity in the model of Taitel & Dukler (MPE = 1.08% and MAPE = 16.85%).

Il lavoro di tesi è stato sviluppato presso il "Laboratorio di Termofluidodinamica Monofase e Multifase" del Dipartimento di Energia del Politecnico di Milano. L’obiettivo è quello di caratterizzare i modelli di flusso, la caduta di pressione e i parametri d’onda di un sistema trifase aria-acqua-olio, , all’interno di un tubo in plexiglas®di 40 mm di diametro interno, inclinato di 15° verso il basso. Per ciascun fluido sono state considerate velocità superficiali comprese tra 0,75 e 2,25 m/s per l’aria, tra 0,66 e 1,33 m/s per l’acqua e tra 0,54 e 1,08 m/s per l’olio.. I modelli di flusso, identificati in una campagna precedente, sono stati confrontati sulla base delle mappe disponibili nella letteratura. Il gradiente di pressione e la frequenza dell’onda sono stati misurati e confrontati con modelli meccanicistici ed empirici, mentre le immagini scattate nella precedente campagna sperimentale sono state utilizzate per misurare gli altri parametri dell’onda, come l’ampiezza e la lunghezza d’onda dell’onda. I risultati evidenziano una buona previsione dei parametri d’onda quando i dati sono correlati con i numeri di Froude, valutati con le velocità superficiali della fase gassosa e liquida. I gradienti di pressione misurati sono stati quindi confrontati con i modelli di Taitel & Dukler e Ullmann & Brauner considerando nove diverse correlazioni della viscosità di massa per la miscela liquida. Un buon accordo con i risultati sperimentali si ottiene quando le correlazioni di Toshiba e Brinkman vengono implementate per valutare rispettivamente la ritenzione dell’olio e la viscosità di massa della miscela equivalente nel modello di Taitel & Dukler (MRD = 1,08% e MAPE = 16,85%).