بررسی تجربی ضریب اصطکاک و تنش برشی بین سطحی در جریان دوفازی ناهمسو در لوله عمودی

محورهای موضوعی : یافته های نوین کاربردی و محاسباتی در سیستم های مکانیکی

آرش غفوری ¹ , اشکان غفوری ² , عباس کوثری نیا ³ , علیرضا دنه دزفولی ⁴

1 - گروه مهندسی مکانیک، واحد اهواز، دانشگاه آزاد اسلامی، اهواز، ایران
2 - گروه مهندسی مکانیک، واحد اهواز، دانشگاه آزاد اسلامی، اهواز، ایران
3 - گروه مهندسی مکانیک، واحد اهواز، دانشگاه آزاد اسلامی، اهواز، ایران
4 - گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه شهید چمران اهواز، اهواز، ایران

تاریخ دریافت : 1401/03/12 تاریخ پذیرش : 1401/06/01 تاریخ انتشار : 1401/06/01

کلید واژه: سرعت ظاهری فاز گاز, ضریب اصطکاک بین سطحی, سرعت ظاهری فاز مایع, تنش برشی, جریان حلقوی,

چکیده مقاله :

در پژوهش تجربی حاضر، شکل‌گیری الگوی جریان حلقوی در لوله عمودی با جریان دوفازی ناهمسو به کمک تکنیک ثبت و پردازش تصاویر مورد بررسی قرار گرفته است. پس از تفکیک رژیم جریان‌های دو فاز ایجاد شده، محدوده سرعت ظاهری هوا (پایین به بالا) و آب (بالا به پایین) به ترتیب 20.94-3.66 متر بر ثانیه و 0.31-0.06 متر بر ثانیه برای جریان حلقوی می‌باشد. ضریب اصطکاک بین سطحی (فاز مایع و گاز) بر حسب پارامترهای هیدرودینامیکی جریان مورد ارزیابی قرار گرفته است. مقایسه متوسط انحراف نتایج حاصله از پژوهش حاضر در مقایسه با پژوهش‌های پیشین نشان از تطابق مناسب نتایج دارد. همچنین تنش برشی بین سطحی برای دو لوله آزمایش در الگوی جریان دوفازی ناهمسو در رژیم جریان حلقوی محاسبه و ارزیابی شده است. در این پژوهش ضریب اصطکاک بین سطحی (فاز مایع و گاز) نیز در قالب یک رابطه همبستگی جدید وابسته به عدد رینولدز جریان گاز و عدد رینولدز جریان مایع با ضریب همبستگی 0.98R2= ارائه شده است.

چکیده انگلیسی:

In the experimental study, the formation of the annular flow pattern in a vertical pipe with the counter-current two-phase flow has been investigated with the help of image recording and processing techniques. After separating the created two-phase flow regime, the range of superficial velocity of air (upward) and water (downward) is 3.66-20.94 m/s and 0.06-0.31m/s for annular flow, respectively. The interfacial friction factor (liquid and gas phase) has been evaluated according to the hydrodynamic parameters of the flow. Comparing the average deviation of the results obtained from the current research with the previous research shows that the results are in good agreement. Also, the interfacial shear stress has been calculated and evaluated for two test pipes in the center-current two-phase flow pattern in the annular flow regime. In this research, the interfacial friction factor (liquid and gas phase) is also presented as a new correlation depending on the Reynolds number of the gas flow and the Reynolds number of the liquid flow with a coefficient of determination of R2=0.98.

منابع و مأخذ:

• Hewitt, G. F., & Hall-Taylor, N. S. (1970). Annular Two-phase Flow, PergamonPress.


• Hewitt, G. F., Jayanti, S., & Hope, C. B. (1990). Structure of thin liquid films in gas-liquid horizontal flow. International journal of multiphase flow, 16(6), pp951-957.


• Sorgun, M., Murat Ozbayoglu, A., & Evren Ozbayoglu, M. (2015). Support vector regression and computational fluid dynamics modeling of Newtonian and Non-Newtonian fluids in annulus with pipe rotation. Journal of Energy Resources Technology, 137(3).


• Moayedi, H., Aghel, B., Vaferi, B., Foong, L. K., & Bui, D. T. (2020). The feasibility of Levenberg–Marquardt algorithm combined with imperialist competitive computational method predicting drag reduction in crude oil pipelines. Journal of Petroleum Science and Engineering, 185, 106634.


• Kendoush, A. A., & Al-Khatab, S. A. (1994). Experiments on flow characterization in vertical downward two-phase flow. Experimental thermal and fluid science, 9(1), pp34-38.


• Clark, W. W. (2002). Liquid film thickness measurement. Multiphase science and technology, 14(1).


• Liu, J., & Xue, T. (2022). Investigation on Influencing Factors of Film Bubbles in Vertical Upward Annular Flow Based on Fluorescence Imaging. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 71, pp1-9.


• Aliyu, A. M., Lao, L., Almabrok, A. A., & Yeung, H. (2016). Interfacial shear in adiabatic downward gas/liquid co-current annular flow in pipes. Experimental Thermal and Fluid Science, 72, pp75-87.


• Henstock, W. H., & Hanratty, T. J. (1976). The interfacial drag and the height of the wall layer in annular flows. AIChE Journal, 22(6), pp990-1000.


• Schubring, D., Ashwood, A. C., Hurlburt, E. T., & Shedd, T. A. (2008, January). Optical Measurement of Base Film Thickness in Annular Two-Phase Flow. In Fluids Engineering Division Summer Meeting (Vol. 48401, pp665-672).


• Bharathan, D., & Wallis, G. B. (1983). Air-water countercurrent annular flow. International Journal of Multiphase Flow, 9(4), pp349-366.


• Vijayan, M., Jayanti, S., & Balakrishnan, A. R. (2002). Experimental study of air–water countercurrent annular flow under post-flooding conditions. International journal of multiphase flow, 28(1), pp51-67.


• Wan, J., Sun, W., Deng, J., Pan, L. M., & Ding, S. H. (2021). Experimental study on air-water countercurrent flow limitation in a vertical tube based on measurement of film thickness behavior. Nuclear Engineering and Technology, 53(6), pp1821-1833.


• Ma, Y., Zeng, S., Shao, J., Zhou, T., Lyu, J., Li, J., & Lu, P. (2022). An experimental study on gas–liquid two-phase countercurrent flow limitations of vertical pipes. Experimental Thermal and Fluid Science, 110789.


• Wan, J., Sun, W., Deng, J., Zhu, L., Ma, Z., Zhang, L. & Pan, L. M. (2022). Development of a dimensionless flooding correlation based on experimental study on air-water countercurrent flow limitation in a vertical tube. Progress in Nuclear Energy, 153, 104408.


• Taitel, Y., & Dukler, A. E. (1976). A model for predicting flow regime transitions in horizontal and near horizontal gas‐liquid flow.AIChE journal, 22(1), pp 47-55.