miniatura|279x279px|Esquema del flujo multifásico en una tubería de petróleo, donde la fase continua es el líquido (azul) que transporta partículas más pequeñas. El gas (blanco) y las partículas de petróleo (negro) se encuentran en una fase dispersa.
En mecánica de fluidos, el «flujo multifásico» es el flujo simultáneo de materiales con dos o más fases termodinámicas. Prácticamente todas las tecnologías de procesamiento, desde las bombas cavitantes y las turbinas hasta la fabricación de papel y la construcción de plásticos, implican algún tipo de flujo multifásico. También es frecuente en muchos fenómenos naturales.
Estas fases pueden consistir en un componente químico (por ejemplo, flujo de agua y vapor de agua) o en varios componentes químicos diferentes (por ejemplo, flujo de aceite y agua). Una fase se clasifica como «continua» si ocupa una región del espacio continuamente conectada (en contraposición a «dispersa», si la fase ocupa regiones del espacio desconectadas). La fase continua puede ser gaseosa o líquida. La fase dispersa puede consistir en un sólido, un líquido o un gas.
Se pueden identificar dos topologías generales: flujos «dispersos» y flujos «separados». Los primeros consisten en partículas finitas, gotas o burbujas distribuidas dentro de una fase continua, mientras que los segundos consisten en dos o más corrientes continuas de fluidos separadas por interfaces.
Historia El estudio del flujo multifásico está estrechamente relacionado con el desarrollo de la mecánica de fluidos y la termodinámica. Uno de los primeros descubrimientos clave fue realizado por Arquímedes de Siracusa (250 a. C.), quien postuló las leyes de la flotabilidad, que se conocieron como el principio de Arquímedes , que se utiliza en la modelización del flujo multifásico.
A mediados del , se desarrollaron avances en la ebullición nucleada y se crearon los dos primeros modelos de caída de presión en dos fases, principalmente para las industrias químicas y de procesos. En particular, Lockhart y Martinelli (1949) presentó un modelo para la caída de presión por fricción en un flujo bifásico separado horizontal, introduciendo un parámetro que todavía se utiliza hoy en día. Entre 1950 y 1960, el intenso trabajo en los sectores aeroespacial y nuclear impulsó nuevos estudios sobre el flujo bifásico. En 1958, el científico soviético Teletov llevó a cabo uno de los primeros estudios sistemáticos sobre el flujo bifásico. Baker (1965) realizó estudios sobre los regímenes de flujo vertical.
Desde la década de 1970, el flujo multifásico, especialmente en el contexto de la industria petrolera, ha sido objeto de numerosos estudios debido a la creciente dependencia del petróleo por parte de la economía mundial.
En la década de 1980 se avanzó en la modelización del flujo multifásico mediante la modelización de patrones de flujo para diferentes inclinaciones y diámetros de tuberías y diferentes presiones y caudales. Los avances en la potencia informática en la década de 1990 permitieron técnicas de modelización cada vez más complejas para modelizar el flujo multifásico, y los flujos que antes se limitaban a problemas unidimensionales pudieron trasladarse a modelos tridimensionales.
En la década de 1990 aparecieron proyectos para desarrollar la tecnología de medición de flujo multifásico (MFM), utilizada para medir la velocidad del flujo de cada fase. El impulso detrás de esta tecnología fue la previsión de una disminución de la producción de los principales yacimientos petrolíferos del Mar del Norte. Entre las empresas petroleras que crearon los primeros prototipos se encontraban BP y Texaco. En la actualidad, los MFMS se han generalizado y son la principal solución de medición para el desarrollo de nuevos yacimientos.
Ejemplos y aplicaciones
El flujo multifásico se produce habitualmente en muchos fenómenos naturales, está bien documentado y es crucial en diversas industrias. En la naturaleza El transporte de sedimentos en los ríos está sujeto a un flujo multifásico, en el que las partículas en suspensión se tratan como una segunda fase dispersa que interactúa con la fase fluida continua.
Un ejemplo de flujo multifásico a menor escala sería el que se produce dentro de estructuras porosas. Modelización de la estructura porosa permite utilizar la ley de Darcy para calcular el caudal volumétrico a través de medios porosos, como el flujo de agua subterránea a través de la roca. Otros ejemplos se encuentran en el interior de los organismos vivos, como el flujo sanguíneo (en el que el plasma es la fase líquida y los glóbulos rojos constituyen la fase sólida). También fluye dentro del tracto intestinal del cuerpo humano, con partículas sólidas de alimentos y agua fluyendo simultáneamente.
En la industria La gran mayoría de las tecnologías de procesamiento implican flujos multifásicos. Un ejemplo común de flujo multifásico en la industria es el lecho fluidizado. Este dispositivo combina una mezcla sólida y líquida y hace que se mueva como un fluido. Otros ejemplos son la electrólisis del agua, flujo burbujeante en reactores nucleares, flujo de partículas de gas en reactores de combustión y flujos de suspensión de fibras en la industria de la pulpa y el papel.
En las industrias del petróleo y el gas, el flujo multifásico suele implicar el flujo simultáneo de petróleo, agua y gas. El término también es aplicable a las propiedades de un flujo en algunos campos en los que se produce una inyección química o se utilizan diversos tipos de inhibidores. En ingeniería petrolera, el fluido de perforación está compuesto por una fase gaseosa y otra sólida. Además, el petróleo crudo que fluye por las tuberías es un flujo trifásico de gas, petróleo y agua.
Tipos La clase más común de flujos multifásicos son los flujos bifásicos, que incluyen el flujo gas-líquido, el flujo gas-sólido, el flujo líquido-líquido y el flujo líquido-sólido. Estos flujos son los más estudiados y los que más interés suscitan en el contexto industrial. Los diferentes patrones de flujo multifásico se conocen como regímenes de flujo. Flujo bifásico| Flujo bifásico líquido-gas en tuberías alt=|thumb|451x451px|Regímenes de flujo horizontal de arriba abajo: flujo de burbujas, flujo de tapón, flujo de slug, flujo ondulado, flujo estratificado, flujo anular y flujo de niebla Los patrones de flujo en las tuberías están determinados por el diámetro de la tubería, las propiedades físicas de los fluidos y sus caudales. A medida que aumentan la velocidad y la relación gas-líquido, el «flujo de burbujas» se transforma en «flujo de niebla». A altas relaciones líquido-gas, el líquido forma la fase continua y a valores bajos forma la fase dispersa. En el tapón y el flujo de slug, el gas fluye más rápido que el líquido y este forma un «slug» que se desprende y la velocidad disminuye hasta que el siguiente slug de líquido lo alcanza.
+Regímenes de flujo en flujo bifásico horizontalRégimenDescripciónBurbujas/Dispersas flujo de burbujasSe produce a grandes caudales de líquido con poco flujo de gas. Burbujas de gas dispersas o suspendidas en toda la fase líquida continua. Las características típicas de este flujo son las interfaces móviles y deformadas de las burbujas en los dominios temporal y espacial y las complejas interacciones entre las interfaces. Este flujo se puede clasificar además en idealmente separado, burbujas interactuantes, turbulento agitado y agrupado. Debido a la fuerza de flotación, las burbujas tienden a desplazarse hacia la parte superior de la tubería.Flujo en tapónSe desarrolla a medida que aumenta el caudal, mientras que el flujo de vapor se mantiene en una cantidad baja. Tapones de gas en fase líquida, donde se supone que la velocidad es constante, mientras que los «tapones», que son esencialmente burbujas de gas con forma de bala que cubren la sección transversal de la tubería, fluyen de forma intermitente a través de la tubería en la parte superior de la misma debido a las fuerzas de flotación.Flujo estratificadoFlujo de gases y líquidos en el que existe una separación por una interfaz. Esto ocurre cuando predomina la fuerza de la gravedad, lo que provoca la estratificación del líquido en el fondo de la tubería. Es más común en tuberías horizontales o ligeramente inclinadas. A bajas velocidades, se producen interfaces lisas, mientras que a velocidades más altas aparecen ondas.Flujo onduladoSe caracteriza por flujos de gas y líquido en corrientes paralelas, la interfaz entre ellos es plana a bajas velocidades del gas, y aparecen ondas debido a perturbaciones cuando aumenta la velocidad. Un ejemplo serían las olas del mar.Flujo de slugDefinido por la secuencia intermitente de «slugs» de líquido que contienen burbujas de gas dispersas que se alternan con burbujas más largas y de mayor anchura. Régimen de flujo inestable incluso cuando las velocidades se mantienen constantes.Flujo anularSe produce cuando una película de líquido en un flujo gas-líquido cubre la pared del canal en forma de anillo con gas fluyendo en el núcleo. El núcleo también puede contener gotas de líquido, en cuyo caso se conoce como flujo anular disperso. Niebla/Dispersa flujo de nieblaSe produce a caudales de gas muy elevados. Se caracteriza por una fase dispersa suspendida en una fase continua. En el caso del flujo gas-líquido, se produce cuando las partículas líquidas están suspendidas en una fase gaseosa continua. alt=|miniatura|Regímenes de flujo vertical comunes: de izquierda a derecha: flujo de agitación, flujo anular y flujo anular tenue En el «flujo vertical» existe simetría axial y los patrones de flujo son más estables. Sin embargo, en lo que respecta al flujo de slug, en este régimen pueden producirse oscilaciones. Aquí se pueden aplicar regímenes de flujo horizontal, pero observamos una distribución más uniforme de las partículas debido a la fuerza de flotabilidad que actúa en la dirección de la tubería.
El flujo agitado se produce cuando se rompe el flujo de slug, lo que da lugar a un régimen inestable en el que se produce un movimiento oscilatorio del líquido.
El flujo anular tenue se caracteriza por las «brizas» de líquido que existen en el régimen de flujo anular. Se presume que se debe a la coalescencia de la gran concentración de gotas contenidas en la película de líquido que recubre la tubería. Este régimen se produce con flujos másicos elevados.
Flujo líquido-sólido El transporte hidráulico consiste en flujos en los que las partículas sólidas se dispersan en una fase líquida continua. A menudo se denominan flujos de lodos. Entre sus aplicaciones se incluyen el transporte de carbón y minerales y el flujo de lodo.
Las suspensiones se clasifican en los siguientes grupos: «suspensiones finas», en las que las partículas se distribuyen uniformemente dentro del líquido, y «suspensiones gruesas», en las que las partículas tienden a desplazarse predominantemente en la mitad inferior de una tubería horizontal a una velocidad inferior a la del líquido y significativamente inferior a la del líquido en una tubería vertical. Flujo gas-sólido en tuberías El flujo bifásico gas-sólido está muy presente en la ingeniería química, ingeniería energética e ingeniería metalúrgica. Con el fin de reducir la contaminación atmosférica y la erosión de las tuberías, mejorar la calidad de los productos y la eficiencia de los procesos, la medición de los parámetros de flujo de dos fases mediante transporte neumático (utilizando gas a presión para inducir el flujo) está cada vez más extendida.