Étude et modélisation du comportement d'un écoulement annulaire dispersé : application à la mesure de débit de gaz humide à l'aide d'un débitmètre à Venturi

0038 French OPEN
Lupeau, Alexandre (2005)
  • Subject: Débitmètre, Venturi, Comptage, Écoulement annulaire dispersé, Gaz humide,Film liquide, Gouttes, Modélisation | 532

Le travail proposé a pour but d'apporter des éléments de compréhension sur le comportement d’un débitmètre gaz sec de type Venturi en configuration d'écoulement annulaire dispersé (gaz humide). Ce type d'écoulement se présente sous la forme d’un mélange gaz/liquide avec des fractions volumiques de gaz supérieures à 99%. Le liquide se répartit à l'intérieur des conduites sous forme de gouttes et d'un film ruisselant sur les parois. Ce sont les interactions entre le gaz et ces différents constituants qui influencent l'erreur de mesure du débitmètre due à la présence du liquide. Pour pouvoir modéliser correctement cette erreur, une étude paramétrique est mise en place en conditions simplifiées (étude à basse pression, avec de l’air et de l'eau, orientation verticale descendante). Des moyens d’essais sont mis en place afin de générer des écoulements parfaitement calibrés en entrée de compteur. Une caractérisation fine de l'écoulement amont (distribution de la phase liquide dans la conduite, épaisseur du film liquide en paroi, forme de l'interface, taille et vitesse des gouttes) couplée a des mesure de pression différentielle entre l'amont du débitmètre et le col, a été réalisée. À partir des informations recueillies, les paramètres et lois de fermetures les plus pertinents sont sélectionnés pour élaborer un modèle physique décrivant le comportement du Venturi. Ce dernier est basé sur une écriture monodimensionnelle des équations de conservations de masse et de quantité de mouvement pour chaque phase. La comparaison entre les résultats du modèle et les données expérimentales donne des résultats satisfaisants. De plus, l'étude de la contribution des différents phénomènes pris en compte par le modèle apporte un éclairage nouveau sur les mécanismes qui contrôlent le comportement du compteur. Ainsi, les phénomènes d’atomisation de film au niveau de la jonction convergent/col apparaît comme déterminants. The objective of this work is to give some tools to understand the Venturi flow meter behaviour submitted to a wet gas flow regime. This two-phase is observed in gas industry when the gas volume fraction is greater than 99%. In this case, an annular dispersed flow regime takes place with droplets on the pipe core and liquid film on the wall. In this configuration, momentum interactions exist between the gas and the liquid phase which, modifiying the relationship between the gas flow rate and the differential pressure measured from the upstream and the throat taps of the Venturi, induced an metering error. In order to understand the origin of this error and to predict it, a parametric study was performed in vertical downward flow configuration, for simplified flow conditions (low pressure tests with air and water as fluids). Experimental facilities were designed in order to obtain calibrated flows upstream of the Venturi meter. Differential pressure measurements were coupled with a detailed characterization of these flows (liquid phase distribution in the pipe between droplets and film, film thickness, shape of the film interface, droplets size and velocity). In parallel, a one dimensional model, based on mass and momentum balance equations written for each phase, was built in order to predict the behaviour of the meter. This model uses closure laws deduced from experiments. Comparison between experiments and flow modelling gives satisfactory results. Furthermore, the analysis of the influence of the different phenomena taking into account in the code, sheds a new light on the mechanisms which influence the meter behaviour. Thus, these results show that the atomization of the liquid film at the convergent section/throat junction plays an important role in the flow metering deviation.
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