Análise dos Modelos de Fases Separadas e de Mistura Aplicados ao Escoamento Anular Vertical Ascendent

Abstract

O escoamento anular é um dos mais importantes padrões de escoamento bifásico em tubulações devido à sua variedade de aplicações práticas. Na maioria dos casos de interesse, o regime de escoamento nas duas fases é turbulento e uma considerável quantidade de líquido é arrastada pelo núcleo gasoso sob a forma de gotículas. O processo de geração de gotículas e seu comportamento enquanto se deslocam no núcleo gasoso são importantes para o desenvolvimento de modelos hidrodinâmicos. O modelo de fases separadas e o modelo de mistura constituem alguns dos principais modelos para representação física de escoamentos bifásicos em simuladores comerciais utilizados nas indústrias nucleares e de petróleo. O modelo de fases separadas é um caso particular do modelo de dois fluidos para representação de escoamentos de fases separadas (anular ou estratificado), permitindo a determinação das variáveis do escoamento de forma relativamente mais simples. O modelo de mistura é derivado a partir do modelo de dois fluidos, tal que, as fases são tratadas como um único fluido com características reológicas específicas e a interação entre as fases é definida em termos da difusão ou do deslizamento em relação à mistura. O deslizamento das fases é dependente do padrão de escoamento e, portanto, depende de relações de fechamento específicas para cada padrão. No padrão anular, uma velocidade de deslizamento proposta por Ishii et al., AIChE J, 22(2):283-289 (1976), permite o fechamento do modelo de mistura. Por fim, para o fechamento destes dois modelos, é necessária também a determinação da fração de arraste de gotículas (entrainment fraction) pelo núcleo gasoso, isto pode ser realizado utilizando algumas correlações empíricas encontradas na literatura. As equações destes dois modelos, na forma unidimensional e em regime permanente, são resolvidas numericamente utilizando o método Runge-Kutta de quarta ordem, implementadas em um código escrito em linguagem de programação Fortran. No presente trabalho, os resultados obtidos por estes dois modelos de escoamento bifásico são comparados contra dados experimentais do gradiente de pressão de um escoamento isotérmico vertical ascendente de gás e líquido no padrão anular, em um duto de seção circular constante. Além disto, uma comparação entre os resultados obtidos utilizando algumas correlações para a estimativa da fração de arraste de gotículas é apresentada.