L’écoulement annulaire est une méthode d’écoulement de liquide et de gaz dans un pipeline où le matériau de poids moléculaire plus léger s’écoule au centre du tuyau et le matériau de poids moléculaire plus lourd forme un film mince qui s’écoule le long de la paroi du tuyau. Il est souvent observé dans l’industrie pétrolière où les débits sont élevés et peut se produire dans les tuyaux horizontaux et verticaux. La masse fluide ou gazeuse plus légère peut également se présenter sous la forme d’un brouillard ou d’une suspension colloïdale appelée émulsion. L’interface entre les matériaux en écoulement peut ne pas être précise et peut impliquer des mélanges de gaz et de liquide.
Les variations de l’écoulement annulaire sont classées en écoulement ondulé, où des irrégularités se produisent, ou en écoulement annulaire vaporeux. Dans un écoulement annulaire vaporeux, à mesure que le débit augmente, la suspension colloïdale de globules de gaz dans le noyau augmente et conduit à l’étalement des globules en stries et grumeaux vaporeux. Plusieurs autres types de régimes d’écoulement existent également, notamment les écoulements à bulles, à bouchons et à baratte dans les tuyaux verticaux, ainsi que les écoulements stratifiés et stratifiés-ondulés dans les tuyaux horizontaux.
Le calcul des débits annulaires peut être difficile, car les équations nécessitent une mesure précise du diamètre intérieur de la canalisation. Cela varie car l’écoulement annulaire a une limite sans écoulement à l’intérieur qui modifie le diamètre effectif de l’intérieur du tuyau. Il est difficile d’obtenir des valeurs précises selon la méthode de calcul utilisée.
Deux séries d’équations sont couramment utilisées pour déterminer l’écoulement annulaire. Le premier est connu sous le nom d’écoulement périmétrique mouillé, où le diamètre effectif du tuyau est divisé par un produit carré des zones d’écoulement interne et externe. Les calculs de périmètre mouillé ne sont pas idéaux, car ils sont entièrement basés sur le flux interne soustrait du flux externe sans tenir compte de la zone de non-écoulement. La méthode du génie pétrolier utilise une méthode plus complexe de comparaison des flux interne et externe, et elle est connue pour produire des résultats de débit environ 40 % plus élevés que la méthode du périmètre mouillé. Les équations du génie pétrolier semblent mieux refléter le débit réel mesuré que la méthode du périmètre mouillé, mais la méthode mouillée est la norme utilisée en ingénierie universitaire.
Les facteurs de frottement doivent également être pris en compte dans l’écoulement annulaire. L’utilisation de la surface extérieure du tuyau pour estimer le frottement est une méthode. La création d’une friction moyenne basée sur des données pondérées est également effectuée et sont toutes deux considérées comme des approches légitimes.
Il existe également différentes étapes dans l’écoulement gaz-liquide dans la conduite où des transitions se produisent entre les différents types de régimes d’écoulement. Les transitions peuvent inclure des passages d’un écoulement annulaire à un écoulement effilé et annulaire dans un tuyau vertical. Dans les conduites horizontales, les transitions courantes dans les schémas d’écoulement incluent la transition entre le bouchon et l’anneau. Ceux-ci, ainsi que de nombreux autres types d’états d’écoulement et de transitions, ont tous des modèles mathématiques uniques pour calculer le débit actuel dans le tuyau.