Meccanica dei fluidi bifase

Il flusso bifase è il campo della meccanica dei fluidi ovvero quello di studiare cosa succede quando si ha a che fare con più fluidi che scorrono insieme: questi può essere lo stesso fluido presente in due fasi differenti (acqua e vapore ad esempio), di due liquidi diversi in la stessa fase (acqua liquida e olio ad esempio: questo è di particolare interesse per l'industria petrolifera) o due fluidi diversi in una fase diversa (acqua e aria ad esempio) ... Il comportamento di un flusso in presenza di due diversi i fluidi sono notevolmente modificati rispetto al caso monofase; per questo è attualmente uno dei sotto-campi più attivi (in termini di ricerca e pubblicazioni) della meccanica dei fluidi.

Il comportamento del flusso differisce molto a seconda di vari parametri:

• i diversi fluidi (liquido / gas o miscela liquido / liquido)
• la geometria del sistema (serbatoio, tubo orizzontale, tubo verticale, ...)
• il riscaldamento o meno dell'impianto e il tipo di riscaldamento utilizzato (uniforme / non uniforme, a parete riscaldata / a volume). Quando parliamo di flusso riscaldato, assumiamo che il riscaldamento induca lo stato bifase del sistema per evaporazione (acqua bollente per esempio)

Questo articolo presenta alcuni dei flussi più comuni in natura o nell'industria.

Miscela liquido / gas

I flussi di liquido / gas sono utilizzati in un gran numero di sistemi di scambio termico.

Nel serbatoio

adiabatico

Il sistema non è riscaldato

• Flusso stratificato: questo tipo di flusso si incontra quando i flussi di gas e liquido sono bassi, l'interfaccia è sotto forma di una superficie continua che separa le due fasi. È un flusso separato da fasi. Il fluido più denso si trova sotto quello più leggero a causa della gravità. La forma dell'interfaccia è controllata dalla competizione tra le forze d'inerzia che tendono a deformarla (campo d'onda) e le forze di gravità e tensione superficiale che tendono a mantenerla piatta. Quando i primi predominano, ci troviamo in un cosiddetto flusso ondulato stratificato e nel caso opposto, il flusso si chiama stratificato liscio. In natura troviamo questo tipo di flusso nel mare (formazione delle onde da parte del vento).
• flussi dispersi: Quando la portata relativa tra i 2 fluidi è elevata, le forze inerziali esercitate determinano la formazione di bolle o goccioline. Esempi: la formazione di bolle d'aria quando si agita una bottiglia d'acqua (aria nell'acqua) o la formazione di spruzzi sulla cresta delle onde (acqua nell'aria).

riscaldato

Esempio di pentola e bollitore - DA SVILUPPARE ...

In un tubo

adiabatico

Una miscela di liquido e gas circola in un tubo verticale sotto l'effetto di una pompa senza essere riscaldata. Si possono quindi osservare diversi tipi di flusso:

• flusso di bolle: quando il tasso di vuoto è basso, il gas è sotto forma di bolle nel liquido.
• plug flow: quando è presente un gran numero di bolle, queste si fondono e formano bolle più grandi. Quando il diametro di questi si avvicina al diametro del tubo, le "grandi bolle", ora chiamate tappi, si allungano e assumono la forma di un proiettile di revolver. Il flusso è poi caratterizzato dai passaggi successivi di questi tappi intervallati da liquido contenente bolle più piccole.
• pocket flow: se la velocità del gas è molto alta, i tappi vengono distrutti e si formano delle "sacche".
• flusso anulare: quando il grado di vuoto è molto grande, la fase gassosa occupa il centro del tubo mentre la fase liquida è sotto forma di una pellicola lungo la parete del tubo. A seconda delle condizioni imposte, può anche essere che una parte significativa del liquido sia sotto forma di goccioline sospese nel nucleo di vapore; si dice quindi che il flusso è disperso anulare.

riscaldato dal muro

Più o meno, i flussi sono simili a quelli ottenuti adiabaticamente. Alcune differenze tuttavia:

• flusso di bolle: le bolle si formano sulla parete e sono quindi in maggiore densità vicino ad essa rispetto al centro del tubo. In determinate condizioni può essere talmente grande da poter isolare termicamente la parete dal liquido provocando una crisi di ebollizione molto pericolosa per l'impianto.
• flusso anulare: intensa evaporazione del film liquido che ha come conseguenza di mantenere le goccioline al centro del nucleo di vapore.
• essiccazione del film: il film di liquido si asciuga da un certo punto provocando un fenomeno di  flusso termico critico : flusso nuovo rispetto al flusso adiabatico (post-essiccazione)

In un tubo orizzontale: sembra un tubo verticale, tuttavia bisogna aggiungere l'effetto asimmetrico della gravità

Miscela liquido / liquido

Molto utilizzato nell'industria petrolifera.

Simulazione numerica

Nella fluidodinamica computazionale , la presenza di due fasi può essere gestita con il metodo del volume del fluido ( volume del fluido , VOF). Esistono molti altri metodi.