Two-phase flow pattern analysis from pressure and vibration signature

Abstract

A aplicação de abordagens indiretas para a caracterização de padrões de escoamento e seus parâmetros apresenta vantagens ao eliminar a subjetividade inerente às metodologias tradicionais baseadas em inspeção. Além de serem potencialmente de baixo custo e de fácil instalação, essas abordagens também permitem a integração com outros sistemas supervisórios e a Internet das Coisas. Neste contexto, este trabalho propõe metodologias para a identificação de padrões de escoamento e a caracterização do escoamento bifásico intermitente em dutos horizontais por meio de sensores não-invasivos/não-intrusivos de pressão e aceleração. Para isso, são empregadas técnicas de processamento de sinais em conjunto com modelos físicos. Medições de aceleração, pressão dinâmica e fração de vazios são obtidas a partir de uma linha horizontal de fluxo bifásico líquido-gás. E são adquiridos 23 pontos experimentais nos padrões estratificado-liso, estratificado-ondulado, slug e bolhas dispersas. O acoplamento fluido-estrutura é investigado entre ondas de pressão e estruturais, concentrando-se nas frequências de corte dos modos de onda circunferencial do duto. Propõe-se, assim, uma metodologia para demodular os sinais de aceleração em torno dessas frequências de corte, que podem ser estimadas analiticamente. A partir do sinal demodulado, foi possível classificar o padrão de fluxo usando valores de expoente de Hurst e coeficientes de Pearson e Spearman. Além disso, foi possível estimar parâmetros de velocidade e frequência nos padrões Slug com erros inferiores a 20%. Além disso, este trabalho propõe uma abordagem para identificar o padrão de escoamento bifásico por meio das medições de pressão não invasivas. Os padrões de fluxo são classificados com base em limiares adimensionais provenientes de uma análise não linear de séries temporais, nomeadamente a dimensão de correlação, expoentes de Lyapunov e Hurst. Os resultados indicam que a resposta do sistema é caótica para todos os padrões de fluxo devido ao sinal positivo do expoente de Lyapunov. A partir do expoente de Hurst, foi possível separar os padrões de fluxo oscilatórios, como os padrões de slug, dos padrões de fluxo não oscilatórios, como os estratificados. A dimensão de correlação separou os padrões estratificados dos padrões de bolhas intermitentes. Posteriormente, mostra-se que esses parâmetros formam um mapa multidimensional que agrupa os pontos experimentais de acordo com a dinâmica de cada padrão de fluxo. Diante disto, esses resultados abrem novas e interessantes possibilidades para aplicações em sistemas industriais complexos.