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Type: TESE
Degree Level: Doutorado
Title: Film thickness measurement with high spatial and temporal resolution planar capacitive sensing in oil-water pipe flow = Medida da espessura de filme usando sensor capacitivo de alta resolução espacial e temporal para escoamentos óleo-água em tubos
Title Alternative: Medida da espessura de filme usando sensor capacitivo de alta resolução espacial e temporal para escoamentos óleo-água em tubos
Author: Bonilla Riaño, Adriana, 1980-
Advisor: Bannwart, Antonio Carlos, 1955-
Abstract: Resumo: Neste trabalho, é apresentado o desenvolvimento de uma nova técnica para a medição da espessura do filme de água com alta resolução espacial e temporal em escoamento óleo-água. É proposto o uso de um sistema de medição de capacitância elétrica para medir filmes finos de água na proximidade da parede do tubo. O sistema conta com um sensor planar e foi necessário determinar a melhor geometria via simulações baseadas no Método de Elementos Finitos (FEM) para o caso de escoamento óleo-água. As características comparadas foram a profundidade de penetração do campo elétrico no filme de água, a sensibilidade, a resolução espacial mínima e a resposta quase-linear. Padrões de escoamento óleo-água disperso e anular instável foram estudados numa tubulação vertical de 12 m de comprimento, feita de vidro, com 50,8 milímetros de diâmetro interno. Os fluidos usados foram óleo mineral (com densidade 828 kg/m3 e viscosidade 220 mPas) e água da torneira. O trabalho experimental foi realizado nas instalações de escoamento multifásico do Laboratório de Engenharia Térmica e Fluidos (NETeF) da EESC-USP. Foi medida a espessura média do filme de água usando o sistema capacitivo e uma câmera de vídeo de alta velocidade. Para obter a espessura do filme de água a partir das imagens, foi proposto um algoritmo de pré-processamento e um algoritmo de segmentação que combina vários métodos disponíveis na literatura. Os resultados experimentais do sensor capacitivo mostraram que o sistema pode medir espessuras entre 400 µm e 2200 µm. O escoamento anular instável é caracterizado por grandes flutuações na no sentido do escoamento e na direção do perímetro, e estruturas interfaciais grandes (gotas). Por sua vez, o escoamento disperso tem flutuações menores no sentido do escoamento e na direção do perímetro, e estruturas interfaciais menores (gotículas). Uma estrutura interfacial média no espaço e no tempo é proposta para modelar a interface entre a região próxima à parede do tubo e a região do núcleo, e sua análise foi feita no domínio do tempo e da frequência. Foram estudadas a amplitude, velocidade e o comprimento da estrutura interfacial em cada par transmissor-receptor do sensor. Foi possível estabelecer correlações para a velocidade das estruturas em escoamento de óleo em água

Abstract: The development of a new technique for high spatial and temporal resolution film thickness measurement in oil-water flow is presented. A capacitance measurement system is proposed to measure thin water films near to the wall pipe. A planar sensor was chosen for sensing and some geometries were compared using finite elements method (FEM). The penetration depth, the sensitivity, the minimum spatial resolution (high spatial resolution) and the quasi-linear curve were the analyzed characteristics. Dispersed and unstable-annular oil-water flows patterns were studied in a 12-m long vertical glass pipe, with 50.8 mm of internal diameter, using mineral oil (828 kg/m3 of density and 220 mPa s of viscosity) and tap water. The experimental work was carried out in the multiphase-flow facilities of The Thermal-Fluids Engineering Laboratory (NETeF) of EESC-USP. Experiments with a high-speed video camera and the proposed capacitance system were performed to obtain images of the oil-water flow near the pipe wall. A pre-processing enhancement algorithm and a combined segmentation algorithm are proposed and allowed the measurement of characteristic space and time averaged water film thickness. Experimental results of the capacitive technique showed that the system could measure thickness between 400 µm and 2200 µm. It was possible to recognize and characterize typical behaviors of the two different flow patterns studied. Unstable-annular flow can be described by huge fluctuations on the flow direction and perimeter direction, and big interfacial structures (drops). On the other hand, dispersed flow has tiny fluctuations on the flow direction and perimeter direction, and smaller interfacial structures (droplets). An interfacial structure is suggested in order to model the interface between wall and core regions and it was analyzed in time and frequency domains; amplitude, velocity and wavelength at each pair transmitter-receiver of the sensor were studied. Correlations for the interfacial structure velocity were found for dispersed oil-in-water flow and unstable-annular flow
Subject: Sensor
Medidas elétricas
Escoamento multifásico
Emulsão de oleo em agua
Método dos elementos finitos
Editor: [s.n.]
Citation: BONILLA RIAÑO, Adriana. Film thickness measurement with high spatial and temporal resolution planar capacitive sensing in oil-water pipe flow = Medida da espessura de filme usando sensor capacitivo de alta resolução espacial e temporal para escoamentos óleo-água em tubos. 2015. 176 p. Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica e Instituto de Geociências, Campinas, SP. Disponível em: <http://www.repositorio.unicamp.br/handle/REPOSIP/265764>. Acesso em: 28 ago. 2018.
Date Issue: 2015
Appears in Collections:FEM - Tese e Dissertação

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