Oscillations auto-induites en systèmes de conduites en présence d’écoulement diphasique air/eau

Interaction between Flow Induced Pulsations and Multiphase Flows in Gas Liquid Systems

• Auteur / Autrice : Francesco Sanna
• Direction : Yves Aurégan, Joachim Golliard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Acoustique
• Date : Soutenance le 15/04/2016
• Etablissement(s) : Le Mans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur, Géosciences, Architecture (Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'acoustique de l'Université du Mans - Laboratoire d'acoustique de l'université du Maine / LAUM
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : TNO

Mots clés

Mots clés contrôlés

Interfaces gaz-liquide

Écoulement stratifié

Écoulement diphasique

Résonance

Amortissement (mécanique)

Teneur en eau

Canalisations de gaz

Oscillations

Mots clés libres

Oscillations auto-induites

Conduites latérales fermées

Ecoulement diphasique stratifié

Acoustique

Turbulence

Cavité résonnantes profondes

Amortissement acoustique

Flow Induced Pulsations

Side branch

Multiphase stratified flow

Acoustics

Deep cavities

Acoustical damping

Résumé

Le couplage entre un écoulement instable et des résonances acoustiques dans des systèmes de conduites peut conduire à des phénomènes d’oscillations auto-induites. Ce type de phénomènes trouve principalement place dans des conduites latérales fermées, par exemple dans des systèmes de transport ou de compression de gaz. L’objectif de ce travail est d’étudier les oscillations auto-induites dans le cas où le fluide transporté ne se limite pas à un gaz, mais est un mélange de gaz et de liquide. Les pulsations sont mesurées dans des conduites latérales fermées, pour deux types de configurations (en tandem et en croix), avec écoulement d’un mélange variable d’air et d’eau. La position de l’injection d’eau est variable afin d’obtenir plusieurs régimes d’écoulement diphasique. Les résultats indiquent que la présence d’eau a un effet important sur les niveaux de pulsations dans les conduites. Cet effet a pu être attribué à deux mécanismes dus à la présence d’eau : les instabilités de couches de mélange sont modifiées et l’amortissement des ondes acoustiques est amplifié.Le deuxième mécanisme a été quantifié à l’aide de mesures sur un montage expérimental dédié conçu pour avoir un écoulement stratifié. On a observé que, dans tous les cas, la présence d’eau augmente l’amortissement. Cette augmentation a pu être attribuée à la réduction de la section effective de la conduite (due au remplissage partiel par l’eau) et à l’augmentation de la friction turbulente à l’interface entre les phases liquide et gazeuse.

Coupling between flow instabilities and acoustic resonances in ducts with closed side branches leads to Flow Induced Pulsations (FIPs). This is a typical phenomenon in engineering applications (gas transport systems, compressor installations, and chemical plants). The objective of this work is to extend the knowledge about FIPs when the transported medium is not uniquely gas but a combination of gas and (a small quantity of) liquid. For two configurations of double side branches (in tandem and in quasi-cross), the amplitude of pressure pulsations in the side branches was measured for different liquid injection rates. This was repeated with the liquid injection point located at different places to allow different flow regimes at the pipe connections. The results show a strong effect of the water content on the pulsations. On basis of these results and additional measurements, the following hypotheses for the effect of liquid were made: (1) interaction of the liquid with the flow instability and (2) increase of the acoustical damping in the ducts in presence of liquid.The effect of liquid on damping was measured with a dedicated test setup designed to have a stratified flow. It was found that the liquid always increases the acoustical damping, mainly due to the reduction of the effective cross section by the liquid, and because of the increased turbulent friction at the interface between gas and liquid.