Resumo: Os escoamentos turbulentos desempenham um papel dominante na operação de bombas centrífugas, que são amplamente utilizadas em ambientes industriais e em vários aspectos da vida humana. O campo de escoamento dentro dos canais do impelidor de uma bomba centrífuga é geralmente complexo, contendo estruturas turbulentas em uma ampla faixa de escalas de tempo e comprimento. Além disso, em determinadas situações, estas turbomáquinas operam em condições fora da condição de projeto, como é o caso dos escoamentos multifásicos. Um exemplo notável de operação de escoamento multifásico em bombas centrífugas é observado na mistura dispersa de óleo viscoso e água. Nesse contexto, o objetivo geral deste trabalho é estudar escoamentos monofásicos e bifásicos dentro de um impelidor de uma bomba centrífuga. Para isso, experimentos utilizando velocimetria de imagem de partículas resolvida no tempo (TR-PIV) em uma bomba de material transparente operando em diferentes condições foram conduzidos. Para o escoamento monofásico, as características estatísticas do escoamento turbulento foram calculadas a partir de médias do conjunto de fases de velocidade, vorticidade, energia cinética turbulenta, produção e dissipação de turbulência. Além disso, as características do escoamento instável foram observadas por meio da técnica POD (proper orthogonal decomposition). Os resultados indicam que o termo de produção de turbulência é a principal fonte de perda de energia no impulsor da bomba, e é particularmente pronunciada em condições operacionais de baixa vazão, caracterizadas por estruturas turbulentas de grande escala. Por outro lado, em situações onde as vazões excedem a condição de ponto de melhor eficiência (BEP), as estruturas de escoamento predominantes são marcadas por características de pequena escala, atribuídas principalmente à dissipação local de turbulência. No que se refere ao escoamento bifásico, foi introduzida uma metodologia para a caracterização do escoamento óleo-água disperso no impelidor. Para atingir esse objetivo, um conjunto de técnicas de processamento de imagens de aprendizagem profunda foi desenvolvido e aplicado às aquisições brutas de TR-PIV para distinguir gotículas de óleo (fase dispersa) de partículas traçadoras adicionadas à água (fase contínua). Essa análise demonstrou que a fase dispersa tende a se acumular nas pás de sucção, consequência de zonas de recirculação da fase contínua do escoamento. Além disso, observou-se que o campo de velocidade da fase contínua no escoamento bifásico se assemelha muito ao do escoamento monofásico. Essa semelhança está relacionada ao fato de que a altura manométrica da bomba permanece aproximadamente a mesma para ambos os tipos de escoamento Ver menos

Abstract: Turbulent flows play a dominant role in the operation of centrifugal pumps, which are widely used in industrial environments and various aspects of human life. The flow field within channels of a centrifugal pump impeller is generally complex, containing turbulent structures over a wide range of time and length scales. Furthermore, in certain situations, these turbomachines operate under off-design conditions, as seen in multiphase flows. A notable example of multiphase flow operation in centrifugal pumps is observed in the dispersed mixture of viscous oil and water. In this context, the general objective of this work is to study single-phase and two-phase flows inside a centrifugal pump impeller. For this, experiments using time-resolved particle image velocimetry (TR-PIV) in a transparent material pump operating under different conditions were conducted. For single-phase flow, the statistical characteristics of turbulent flow were calculated from phase-ensemble averages of velocity, vorticity, turbulent kinetic energy, turbulence production, and dissipation. Furthermore, the characteristics of the unsteady flow were observed using the POD (proper orthogonal decomposition) technique. The results indicate that the turbulence production term is the main source of energy loss in the pump impeller, particularly pronounced under low-flow rate operating conditions characterized by large-scale turbulent flow structures. On the other hand, in situations where flow rates exceed the best efficiency point (BEP) condition, the predominant flow structures are marked by small-scale characteristics, mainly attributed to local dissipation of turbulence. Regarding two-phase flow, a framework was introduced to characterize the dispersed oil-water flow within the impeller. To achieve this goal, a set of deep learning image processing techniques was developed and applied to raw TR-PIV acquisitions to distinguish oil droplets (dispersed phase) from seeding particles added to water (continuous phase). This analysis demonstrated that the dispersed phase tends to accumulate in the suction blades due to recirculation zones of the continuous phase flow. Furthermore, it was observed that the velocity field of the continuous phase in two-phase flow closely resembles that of single-phase flow, indicating that the pump head remains approximately the same for both types of flow Ver menos