Flujo bifásico

En mecánica de fluidos, el flujo bifásico es un flujo de gas y líquido, un ejemplo particular de flujo multifásico. El flujo de dos fases puede ocurrir de varias formas, como flujos que pasan de líquido puro a vapor como resultado del calentamiento externo, flujos separados y flujos de dos fases dispersos donde una fase está presente en forma de partículas, gotas o burbujas. en una fase portadora continua (es decir, gas o líquido).

Categorización

El método ampliamente aceptado para categorizar flujos de dos fases es considerar la velocidad de cada fase como si no hubiera otras fases disponibles. El parámetro es un concepto hipotético llamado velocidad superficial.

Ejemplos y aplicaciones

Históricamente, probablemente los casos de flujo bifásico más comúnmente estudiados se encuentran en sistemas de energía a gran escala. Las centrales eléctricas alimentadas con carbón y gas utilizaban calderas muy grandes para producir vapor para su uso en turbinas. En tales casos, el agua a presión pasa a través de tuberías calentadas y se convierte en vapor a medida que avanza por la tubería. El diseño de calderas requiere una comprensión detallada del comportamiento de la transferencia de calor y la caída de presión del flujo bifásico, que es significativamente diferente del caso monofásico. Aún más crítico, los reactores nucleares utilizan agua para eliminar el calor del núcleo del reactor mediante un flujo de dos fases. Se han realizado muchos estudios sobre la naturaleza del flujo de dos fases en tales casos, de modo que los ingenieros puedan diseñar contra posibles fallas en las tuberías, pérdida de presión, etc. (un accidente por pérdida de refrigerante (LOCA)) .

Otro caso en el que puede ocurrir flujo bifásico es en la cavitación de la bomba. Aquí una bomba funciona cerca de la presión de vapor del fluido que se bombea. Si la presión cae aún más, lo que puede ocurrir localmente cerca de las paletas de la bomba, entonces puede ocurrir un cambio de fase y habrá gas en la bomba. También pueden ocurrir efectos similares en las hélices marinas; Dondequiera que ocurra, es un problema grave para los diseñadores. Cuando la burbuja de vapor colapsa, puede producir picos de presión muy grandes, que con el tiempo provocarán daños en la hélice o la turbina.

Los casos de flujo de dos fases anteriores son para un solo fluido que se produce por sí solo en dos fases diferentes, como vapor y agua. El término 'flujo bifásico' También se aplica a mezclas de diferentes fluidos que tienen diferentes fases, como aire y agua, o petróleo y gas natural. A veces incluso se considera el flujo trifásico, como en los oleoductos y gasoductos, donde puede haber una fracción significativa de sólidos. Aunque el petróleo y el agua no son fases estrictamente distintas (ya que ambos son líquidos), a veces se los considera como un flujo de dos fases; y la combinación de petróleo, gas y agua (por ejemplo, el flujo de un pozo petrolero marino) también puede considerarse un flujo trifásico.

Otras áreas interesantes donde se estudia el flujo de dos fases incluyen la electrólisis del agua, los sistemas climáticos como las nubes y el flujo de agua subterránea, en el que se estudia el movimiento del agua y el aire a través del suelo.

Otros ejemplos de flujo de dos fases incluyen burbujas, lluvia, olas en el mar, espuma, fuentes, mousse, criogénicos y mareas negras. Un último ejemplo es la explosión eléctrica del metal.

Características del flujo bifásico

Varias características hacen del flujo de dos fases una rama interesante y desafiante de la mecánica de fluidos:

• La tensión superficial hace que todos los problemas dinámicos no sean lineales (ver número de Weber)
• En el caso del aire y el agua a temperatura y presión estándar, la densidad de las dos fases difiere en un factor de alrededor de 1000. Diferencias similares son típicas de densidades de vapor líquido/agua
• La velocidad del sonido cambia drásticamente para los materiales sometidos al cambio de fase, y puede ser órdenes de magnitud diferente. Esto introduce efectos compresibles en el problema
• Los cambios de fase no son instantáneos, y el sistema de vapor líquido no necesariamente estará en equilibrio de fase
• El cambio de fase significa que las gotas de presión inducidas por el flujo pueden provocar nuevos cambios de fase (por ejemplo, el agua puede evaporarse a través de una válvula) aumentando el volumen relativo del medio gaseoso, compresible y aumentando las velocidades de salida, a diferencia del flujo incompresible monofásico donde cerrar una válvula disminuiría las velocidades de salida
• Puede dar lugar a otras inestabilidades anti-intuitivas y negativas de tipo resistencia, como la inestabilidad de Ledinegg, geysering, chugging, inestabilidad de relajación, y inestabilidad de distribución de flujo como ejemplos de estática inestabilidades y otros dinámica inestabilidad

Acústica

Gurgling es un sonido característico hecho por flujo de fluido de dos fases inestable, por ejemplo, ya que el líquido se derrama de una botella, o durante el agarre.

Modelado