Modelo fluidodinámico para flujo bifásico en patrón de flujo anular en tuberías

Abstract

En el presente Trabajo Especial de Grado se desarrolló un modelo con solución analítica, que describe el comportamiento fluidodinámico del flujo bifásico en patrón de flujo anular cuando ambos fluidos se encuentran en régimen turbulento en flujo vertical ascendente. El modelo se obtuvo al aplicar por separado a cada fase las ecuaciones diferenciales de conservación de la masa y la cantidad de movimiento lineal, luego dichas ecuaciones se simplificaron eliminando términos poco importantes y posteriormente se resolvieron utilizando condiciones de frontera adecuadas. Para expresar los esfuerzos de Reynolds se utilizó la teoría de longitud de mezcla de Prandtl. En cuanto a la fase gaseosa sólo se tomó en cuenta la corriente turbulenta principal, pues se despreciaron las subcapas laminar y amortiguadora. En cuanto a la fase líquida se consideraron dos regiones: una subcapa laminar adyacente a la pared y una corriente turbulenta principal. Además, se consideró que la interfase entre ambos fluidos es plana y lisa, y se utilizó un espesor de película promedio. Asimismo el modelo se desarrolló considerando que la curvatura para la película de líquido es despreciable. Se determinó que los parámetros adimensionales que caracterizan el fenómeno en estudio son el número de Reynolds superficial del líquido, el número de Froude superficial del líquido, la relación entre el caudal del gas y del líquido y la relación entre la densidad del líquido y del gas. Asimismo se obtuvieron expresiones para los perfiles de esfuerzo cortante y velocidad correspondientes a cada una de las fases; además, de relaciones que permiten calcular la caída de presión y el espesor de la película conociendo los caudales, las propiedades físicas de ambos fluidos y la geometría de la tubería. Al comparar con datos experimentales seleccionados de la literatura especializada se encontró que para el gradiente de presión el error porcentual absoluto promedio fue igual a 11 %, mientras que para el espesor de película el error porcentual absoluto promedio obtenido fue igual a 15 %; por lo tanto, se concluyó que el modelo desarrollado reproduce adecuadamente los datos experimentales disponibles.