Co to jest przepływ pierścieniowy?

Przepływ pierścieniowy to metoda przepływu cieczy i gazu w rurociągu, w której materiał o mniejszej masie cząsteczkowej przepływa przez środek rury, a materiał o większej masie cząsteczkowej tworzy cienką warstwę, która przepływa wzdłuż ściany rury. Często obserwuje się to w przemyśle naftowym, w którym prędkości przepływu są wysokie i mogą wystąpić zarówno w rurach poziomych, jak i pionowych. Płyn lub gaz o mniejszej masie może również występować w postaci mgły lub koloidalnej zawiesiny znanej jako emulsja. Interfejs między przepływającymi materiałami może nie być precyzyjny i może obejmować mieszanki gazów i cieczy.

Zmiany w przepływie pierścieniowym są klasyfikowane jako przepływ falisty, w którym występują nieregularności lub delikatny przepływ pierścieniowy. W delikatnym przepływie pierścieniowym, wraz ze wzrostem prędkości przepływu, koloidalna zawiesina globul gazowych w rdzeniu rośnie i prowadzi do rozprzestrzeniania się globulek w delikatne smugi i grudki. Istnieje również kilka innych rodzajów schematów przepływu, w tym przepływ pęcherzykowy, ślimakowy i ubijany w pionowej rurze, a także warstwowy i warstwowo-falisty w poziomej rurze.

Obliczanie przepływów pierścieniowych może być trudne, ponieważ równania wymagają dokładnego pomiaru wewnętrznej średnicy rurociągu. Różni się to, ponieważ przepływ pierścieniowy ma granicę braku przepływu, która zmienia efektywną średnicę wnętrza rury. Dokładne wartości są trudne do uzyskania w zależności od zastosowanej metody obliczeń.

Do wyznaczenia przepływu pierścieniowego powszechnie stosuje się dwie serie równań. Pierwszy znany jest jako zwilżony obwód obwodowy, gdzie efektywna średnica rury jest podzielona przez kwadratowy iloczyn wewnętrznych i zewnętrznych obszarów przepływu. Obliczenia zwilżonego obwodu nie są idealne, ponieważ opierają się całkowicie na przepływie wewnętrznym odejmowanym od zewnętrznego, bez uwzględnienia obszaru braku przepływu. Metoda inżynierii naftowej wykorzystuje bardziej złożoną metodę porównywania przepływu wewnętrznego i zewnętrznego i znane jest uzyskiwanie wyników natężenia przepływu, które są o około 40% wyższe niż metoda zwilżonego obwodu. Równania inżynierii naftowej wydają się lepiej odzwierciedlać rzeczywiste zmierzone natężenie przepływu niż metoda zwilżonego obwodu, jednak metoda zwilżona jest standardem stosowanym w inżynierii akademickiej.

Współczynniki tarcia należy również uwzględnić w przepływie pierścieniowym. Jedną z metod jest wykorzystanie zewnętrznej powierzchni rury do oszacowania tarcia. Wykonywane jest również tworzenie średniego tarcia na podstawie danych ważonych i oba są uważane za uzasadnione podejścia.

Istnieją również różne etapy przepływu gazu i cieczy w rurze, w których zachodzą przejścia między różnymi rodzajami schematów przepływu. Przejścia mogą obejmować zmiany z pierścieniowego na delikatny-pierścieniowy oraz przepływ z zaślepki na pierścieniowy w pionowej rurze. W rurze poziomej typowe przejścia na schematach przepływu obejmują przejście ślimaka do przejścia pierścieniowego. Te, jak również wiele innych rodzajów stanów przepływu i przejść, mają unikalne modele matematyczne do obliczania rzeczywistego natężenia przepływu w rurze.