Mecânica dos fluidos bifásica

O fluxo de duas fases é o campo da mecânica dos fluidosque consiste em estudar o que acontece quando se trata de vários fluidos que fluem juntos: pode ser o mesmo fluido presente em duas fases diferentes (água e vapor por exemplo), dois líquidos diferentes na mesma fase (água líquida e óleo por exemplo : isto é de particular interesse para a indústria do petróleo) ou dois fluidos diferentes em uma fase diferente (água e ar por exemplo) ... O comportamento de um fluxo na presença de dois fluidos diferentes é fortemente modificado em comparação com o caso monofásico; por isso é atualmente um dos subcampos mais ativos (em termos de pesquisas e publicações) da mecânica dos fluidos.

O comportamento do fluxo difere muito dependendo de vários parâmetros:

• os diferentes fluidos (líquido / gás ou mistura líquido / líquido)
• a geometria do sistema (tanque, tubo horizontal, tubo vertical, etc.)
• o aquecimento ou não do sistema e o tipo de aquecimento utilizado (uniforme / não uniforme, por parede aquecida / por volume). Quando falamos de fluxo aquecido, assumimos que o aquecimento induz o estado bifásico do sistema por evaporação (água fervente, por exemplo)

Este artigo apresenta alguns dos fluxos mais comuns na natureza ou na indústria.

Mistura de líquido / gás

Os fluxos de líquido / gás são usados ​​em um grande número de sistemas de troca de calor.

No tanque

adiabático

O sistema não é aquecido

• Escoamento estratificado: este tipo de escoamento é encontrado quando os escoamentos de gás e líquido são baixos, a interface tem a forma de uma superfície contínua separando as duas fases. É um fluxo separado por fases. O fluido mais denso está localizado abaixo do mais leve por causa da gravidade. A forma da interface é controlada pela competição entre as forças de inércia que tendem a deformá-la (campo de onda) e as forças da gravidade e tensão superficial que tendem a mantê-la plana. Quando o primeiro predomina, nos encontramos em um chamado escoamento ondulado estratificado e, no caso oposto, o escoamento é denominado liso estratificado. Na natureza, encontramos este tipo de fluxo no mar (formação de ondas pelo vento).
• fluxos dispersos: Quando a taxa de fluxo relativa entre os 2 fluidos é alta, as forças inerciais exercidas resultam na formação de bolhas ou gotículas. Exemplos: a formação de bolhas de ar ao agitar uma garrafa de água (ar na água) ou a formação de borrifos na crista das ondas (água no ar).

aquecido

Exemplo de panela e chaleira - A DESENVOLVER ...

Em um tubo

adiabático

Uma mistura de líquido e gás circula em um tubo vertical sob o efeito de uma bomba sem ser aquecida. Diferentes tipos de fluxo podem ser observados:

• fluxo de bolhas: quando a taxa de vácuo é baixa, o gás está na forma de bolhas no líquido.
• fluxo em pistão: quando um grande número de bolhas está presente, elas se aglutinam e formam bolhas maiores. Quando o diâmetro dessas se aproxima do diâmetro do tubo, as "bolhas grandes", agora chamadas de plugues, se alongam e assumem a forma de uma bala de revólver. O fluxo é então caracterizado pelas sucessivas passagens desses plugues intercaladas com líquido contendo bolhas menores.
• fluxo de bolsões: se a velocidade do gás for muito alta, os plugues são destruídos e "bolsões" se formam.
• fluxo anular: quando a taxa de vácuo é muito grande, a fase gasosa ocupa o centro do tubo, enquanto a fase líquida está na forma de um filme ao longo da parede do tubo. Dependendo das condições impostas, também pode ser que uma parte significativa do líquido esteja na forma de gotículas suspensas no núcleo de vapor; o fluxo é então considerado anular disperso.

aquecido pela parede

Mais ou menos, os fluxos são semelhantes aos obtidos adiabaticamente. No entanto, algumas diferenças:

• fluxo de bolhas: bolhas se formam na parede e, portanto, estão em maior densidade perto dela do que no centro do tubo. Sob certas condições, pode ser tão grande que pode isolar termicamente a parede do líquido, causando uma crise de ebulição que é muito perigosa para o sistema.
• escoamento anular: intensa evaporação do filme líquido que tem como consequência a retenção das gotículas no centro do núcleo de vapor.
• secagem do filme: o filme de líquido seca a partir de um certo ponto causando um fenômeno de  fluxo de calor crítico : novo fluxo em relação ao fluxo adiabático (pós-secagem)

Em um tubo horizontal: parece um tubo vertical, porém devemos adicionar o efeito assimétrico da gravidade

Mistura líquido / líquido

Muito utilizado na indústria do petróleo.

Simulação numérica

Na dinâmica de fluidos computacional , a presença de duas fases pode ser tratada pelo método de volume de fluido ( volume de fluido , VOF). Existem muitos outros métodos.