Co to jest przepływ pierścieniowy?

Przepływ pierścieniowy to metoda przepływu cieczy i gazu w rurociągu, w której materiał o mniejszej masie cząsteczkowej spływa środkiem rury, a materiał o większej masie cząsteczkowej tworzy cienką warstwę, która przepływa wzdłuż ścianki rury. Często występuje w przemyśle naftowym, gdzie prędkości przepływu są wysokie i mogą występować zarówno w rurach poziomych, jak i pionowych. Płyn lub gaz o lżejszej masie może również mieć postać mgły lub zawiesiny koloidalnej, znanej jako emulsja. Interfejs między płynącymi materiałami może nie być precyzyjny i może obejmować mieszaniny gazów i cieczy.

Zmiany w przepływie pierścieniowym są klasyfikowane jako przepływ falisty, w którym występują nieregularności, lub przepływ pierścieniowy wąski. W niewyraźnym przepływie pierścieniowym, wraz ze wzrostem prędkości przepływu, koloidalna zawiesina kuleczek gazu w rdzeniu zwiększa się i prowadzi do rozchodzenia się kulek w cienkie smugi i grudki. Istnieje również kilka innych rodzajów schematów przepływu, w tym przepływ pęcherzykowy, ślimakowy i przepływowy w rurze pionowej, a także warstwowy i warstwowy-falisty w rurze poziomej.

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

Do określenia przepływu pierścieniowego powszechnie stosuje się dwie serie równań. Pierwszy z nich jest znany jako Przepływ Wetted Perimeter, gdzie efektywna średnica rury jest podzielona przez kwadratowy iloczyn wewnętrznych i zewnętrznych obszarów przepływu. Obliczenia obwodu zwilżonego nie są idealne, ponieważ opierają się całkowicie na odjęciu przepływu wewnętrznego od przepływu zewnętrznego, bez uwzględniania obszaru braku przepływu. Metoda Petroleum Engineering wykorzystuje bardziej złożoną metodę porównywania przepływu wewnętrznego i zewnętrznego i wiadomo, że wyniki natężenia przepływu są o około 40% wyższe niż w przypadku metody Wetted Perimeter. Równania inżynierii naftowej wydają się lepiej odzwierciedlać rzeczywiste zmierzone natężenie przepływu niż metoda Wetted Perimeter, jednak metoda Weted jest standardem stosowanym w inżynierii akademickiej.

W przepływie pierścieniowym należy również uwzględnić czynniki tarcia. Jedną z metod jest wykorzystanie zewnętrznej powierzchni rury do oszacowania tarcia. Tworzenie średniego tarcia w oparciu o dane ważone jest również wykonywane i oba są uważane za uzasadnione podejścia.
Istnieją również różne etapy przepływu gazu i cieczy w rurze, w których występują przejścia między różnymi typami reżimów przepływu. Przejścia mogą obejmować zmiany z pierścieniowego na niewyraźny pierścieniowy oraz przepływ korkowy na pierścieniowy w rurze pionowej. W rurze poziomej typowe przejścia w schematach przepływu obejmują przejście od ślimaka do pierścienia. Te, jak również wiele innych rodzajów stanów przepływu i przejść, wszystkie mają unikalne modele matematyczne do obliczania rzeczywistego natężenia przepływu w rurze.