PIV measurements for modelling single- and two-phase liquid-liquid turbulent flows inside a centrifugal pump impeller
Resumo
Os escoamentos turbulentos desempenham um papel dominante na operação de bombas centrífugas, que são amplamente utilizadas em ambientes industriais e em vários aspectos da vida humana. O campo de escoamento dentro dos canais do impelidor de uma bomba centrífuga é geralmente complexo, contendo estruturas turbulentas em uma ampla faixa de escalas de tempo e comprimento. Além disso, em determinadas situações, estas turbomáquinas operam em condições fora da condição de projeto, como é o caso dos escoamentos multifásicos. Um exemplo notável de operação de escoamento multifásico em bombas centrífugas é observado na mistura dispersa de óleo viscoso e água. Nesse contexto, o objetivo geral deste trabalho é estudar escoamentos monofásicos e bifásicos dentro de um impelidor de uma bomba centrífuga. Para isso, experimentos utilizando velocimetria de imagem de partículas resolvida no tempo (TR-PIV) em uma bomba de material transparente operando em diferentes condições foram conduzidos. Para o escoamento monofásico, as características estatísticas do escoamento turbulento foram calculadas a partir de médias do conjunto de fases de velocidade, vorticidade, energia cinética turbulenta, produção e dissipação de turbulência. Além disso, as características do escoamento instável foram observadas por meio da técnica POD (proper orthogonal decomposition). Os resultados indicam que o termo de produção de turbulência é a principal fonte de perda de energia no impulsor da bomba, e é particularmente pronunciada em condições operacionais de baixa vazão, caracterizadas por estruturas turbulentas de grande escala. Por outro lado, em situações onde as vazões excedem a condição de ponto de melhor eficiência (BEP), as estruturas de escoamento predominantes são marcadas por características de pequena escala, atribuídas principalmente à dissipação local de turbulência. No que se refere ao escoamento bifásico, foi introduzida uma metodologia para a caracterização do escoamento óleo-água disperso no impelidor. Para atingir esse objetivo, um conjunto de técnicas de processamento de imagens de aprendizagem profunda foi desenvolvido e aplicado às aquisições brutas de TR-PIV para distinguir gotículas de óleo (fase dispersa) de partículas traçadoras adicionadas à água (fase contínua). Essa análise demonstrou que a fase dispersa tende a se acumular nas pás de sucção, consequência de zonas de recirculação da fase contínua do escoamento. Além disso, observou-se que o campo de velocidade da fase contínua no escoamento bifásico se assemelha muito ao do escoamento monofásico. Essa semelhança está relacionada ao fato de que a altura manométrica da bomba permanece aproximadamente a mesma para ambos os tipos de escoamento.
Autor(a)
William Denner Pires Fonseca
