Este trabalho apresenta uma técnica de visualização para diagnóstico de regimes de escoamento bifásico água-vapor em um circuito de circulação natural. Os experimentos foram realizados no Circuito de Circulação Natural (CCN) do Laboratório de Termo-Hidráulica Experimental do Instituto de Engenharia Nuclear (LTE/IEN/CNEN), o qual consiste de um aquecedor, um trocador de calor, tubulações interligando estes componentes (perna quente, perna fria), e uma coluna de expansão. Na perna quente há uma seção transparente onde é possível observar o escoamento durante a operação do circuito em regime bifásico. Uma câmera de vídeo de alta velocidade foi posicionada em frente a seção transparente para filmagem, sendo os filmes gerados armazenados em um computador. Um aplicativo em MATLAB foi desenvolvido para o processamento das imagens. Esse aplicativo identifica a passagem de água e vapor por meio da diferença de pixels, gerando imagens em preto e branco correspondentes, respectivamente, a água e ao vapor. A partir do cálculo das áreas ocupadas pela água e bolhas de vapor nas imagens, obteve-se um indicador do regime de escoamento bifásico na forma de uma estimativa percentual da ocorrência de bolhas. Através desta metodologia três regimes foram diagnosticados: bubbly, “slug” e “churn”. Os resultados do software de diagnóstico concordam de modo satisfatório com a verificação visual dos vídeos filmados

Faccini, José Luiz Horacio

Carpe dIEN

2015 International Nuclear Atlantic Conference - INAC 2015 
São Paulo,SP, Brazil, October 4-9, 2015 
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE ENERGIA NUCLEAR - ABEN 
ISBN: 978-85-99141-06-9 
 
Diagnóstico de Regimes Bifásicos em um Circuito de Circulação Natural 
Através de uma Técnica de Visualização   
 
Amanda C. Barbosa
1
, Pedro A. M. Vinhas
2
, Wanderley F. Lemos
2
,  
José L. H. Faccini
3
* e Jian Su
2*
 
  
1Departamento de Engenharia Nuclear - Escola Politécnica 
Universidade Federal do Rio de Janeiro 
21941-909, Rio de Janeiro - RJ - Brasil  
amandabarbosa@poli.ufrj.br 
 
 
2Programa de Engenharia Nuclear - COPPE 
Universidade do Federal do Rio de Janeiro 
21941-972, Rio de Janeiro - RJ - Brasil 
pvinhas@nuclear.ufrj.br 
wlemos@nuclear.ufrj.br 
sujian@lasme.coppe.ufrj.br 
 
 
3Instituto de Engenharia Nuclear (IEN) 
Comissão Nacional de Energia Nuclear (CNEN) 
21941-906, Rio de Janeiro - RJ - Brasil 
faccini@ien.gov.br 
 
 
 
 
*Orientadores 
 
 
RESUMO 
 
Este trabalho apresenta uma técnica de visualização para diagnóstico de regimes de escoamento bifásico água-
vapor em um circuito de circulação natural. Os experimentos foram realizados no Circuito de Circulação 
Natural (CCN) do Laboratório de Termo-Hidráulica Experimental do Instituto de Engenharia Nuclear 
(LTE/IEN/CNEN), o qual consiste de um aquecedor, um trocador de calor, tubulações interligando estes 
componentes (perna quente, perna fria), e uma coluna de expansão. Na perna quente há uma seção transparente 
onde é possível observar o escoamento durante a operação do circuito em regime bifásico. Uma câmera de 
vídeo de alta velocidade foi posicionada em frente a seção transparente para filmagem, sendo os filmes gerados 
armazenados em um computador. Um aplicativo em MATLAB foi desenvolvido para o processamento das 
imagens. Esse aplicativo identifica a passagem de água e vapor por meio da diferença de pixels, gerando 
imagens em preto e branco correspondentes, respectivamente, a água e ao vapor. A partir do cálculo das áreas 
ocupadas pela água e bolhas de vapor nas imagens, obteve-se um indicador do regime de escoamento bifásico 
na forma de uma estimativa percentual da ocorrência de bolhas.  Através desta metodologia três regimes foram 
diagnosticados: bubbly, “slug” e “churn”. Os resultados do software de diagnóstico concordam de modo 
satisfatório com a verificação visual dos vídeos filmados. 
 
 
1. INTRODUÇÃO 
 
Escoamentos multifásicos são encontrados nos diversos tipos de indústrias, como exemplo na 
área: petrolífera, naval, aeronáutica e nuclear. Na área nuclear apresenta-se como escoamento 
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bifásico água-vapor. Esse escoamento pode acontecer com o fluido de refrigeração no núcleo 
do reator - tanto em circulação forçada como em circulação natural – em que será baseado 
esse estudo. A circulação natural é um fenômeno que ocorre em função da temperatura do 
fluido, em que a água mais quente tende a subir e a mais fria a descer, de acordo com a 
diferença de densidade, sendo assim, é um sistema de remoção de calor residual, que 
estabelece a troca de calor de uma forma passiva.  
 
Este trabalho apresenta oestudo de uma metodologia para diagnósticodos regimes de 
escoamentos que podem ser encontrados em um circuito de circulação natural bifásica. A 
metodologia consiste no emprego deuma técnica de visualização, através da filmagem em 
altas velocidades dos regimes bifásicos água-vapor gerados no circuito. As imagens obtidas 
são processadas por meio de um aplicativo desenvolvido em MatLab [1,2], que identifica as 
bolhas de vapor, determina o seu comprimento e diâmetro, e calcula sua área e a fração de 
vazio. 
 
 
2. MONTAGEM EXPERIMENTAL 
 
A montagem experimental consistiu de um circuito de circulação natural e um sistema de 
visualização, localizado no Laboratório de Termo-Hidráulica Experimental do Instituto de 
Engenharia Nuclear (LTE-IEN/CNEN). 
 
2.1.  Circuito de Circulação Natural (CCN)  
 
O Circuito de Circulação Natural, Fig. 1 e Fig. 2, é composto por um aquecedor, trocador de 
calor, tanque de expansão e tubulações perna quente e perna fria. 
 
 
 
Figura 1: Circuito de Circulação Natural. 
 
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Figura 2: Esquemático do Circuito de Circulação Natural. 
 
O CCN é um modelo em escala de 1:10 em altura, similar ao protótipo de um sistema de 
remoção de calor residual de um reator do tipo APWR (Advanced Power WaterReactor) 
[3,4]. É composto por um aquecedor, um trocador de calor, tubulações (perna quente e perna 
fria) e uma coluna de expansão. O material do circuito é o aço inox 316 e o fluido de trabalho 
é água filtrada e destilada. No aquecedor estão instalados 52 resistores elétricos com potência 
máxima de 1560 W.  Um sistema de controle de potência permite ajustar a potência elétrica a 
fim de simular várias condições de decaimento de energia de um reator nuclear, em estado 
estacionário.O trocador de calor é constituído por sete tubos de 0,031 m de diâmetro interno, 
em arranjo triangular, com 0,60 m de altura.Na perna quente há uma seção transparente de 
vidro onde é possível observar o escoamento durante a operação do circuito em regime 
bifásico.A coluna de expansão, instalada na entrada do aquecedor, permite a expansão da 
água aquecida pelos resistores até um tanque situado na sua extremidade onde existe uma 
válvula de alívio de pressão. Um sistema de aquisição de dados permite a aquisição de sinais 
de temperatura por meio de 12 termopares instalados ao longo do circuito, e da vazão de 
circulação natural através de um medidor eletromagnético de vazão volumétrica. Os dados 
são armazenados em planilhas digitais. O lado secundário do trocador de calor é alimentado 
com água da rede predial, cuja vazão nominal é de 16 l/h.  
 
2.2. Sistema de Visualização 
 
O sistema de visualização, Fig. 3, é formado por uma câmera de vídeo de alta velocidade 
Olympus-Speed 2 (resolução máxima de 800 x600pixels), lentes de zoom e um programa de 
aquisição e análise de imagem. A câmera de vídeo é posicionada em frente a seção 
transparente e um refletor fornece iluminação adequada para a gravação dos experimentos. 
Um aplicativo em Matlab foi desenvolvido para o processamento das imagens. Esse 
aplicativo identifica a passagem de água e vapor por meio da diferença de pixels, gerando 
imagens em preto e branco correspondentes, respectivamente, a água e ao vapor.  
INAC 2015, São Paulo, SP, Brazil. 
 
 
 
 
Figura 3: Sistema de visualização. 
 
 
3. METODOLOGIA  
 
A técnica empregada para o processamento e análise das imagens é realizada em duas etapas: 
a calibração do sistema empregando  o software comercial Olympus I-Speed Software Suite  e 
o processamento das imagens através do aplicativo desenvolvido em Matlab. 
 
3.1.Calibração do sistema de visualização 
 
 A calibração foi feita com a marcação de dois pontos, o número 1 e o número 2, como pode 
ser visto na imagem. A régua é utilizada ao lado da imagem e serve como parâmetro para 
medição. A partir dos pontos marcados, entrei com o valor da distância em metros na caixa 
“Distance”, e ao clicar em “Apply” , o programa retorna com o valor pixel/m. O programa, 
mede ainda, distância inicial e final do tubo, sendo esse resultado, o seu diâmetro. 
 
 
 
Figura 4: Interface de medição do software comercial Olympus i-SPEED Suite. 
 
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3.2 Processamento das imagens 
 
O processamento das imagens foi feito por meio de um aplicativo em Matlab desenvolvido 
no LTE/IEN. A Fig. 5 mostra a interface do aplicativo. Foram processados vídeos 
correspondentes aos experimentos realizados  com potência 800 W e vazão nominal de 3 l/h 
no secundário do trocador de calor. Cada vídeoteve em média dois minutos e trinta 
segundosde duração e  taxa de filmagem de 60 frames por segundo. As técnicas de 
processamento de imagem empregadas nesse trabalho foram a filtragem e a binarização [5]. 
 
 
 
Figura 5: Interface do aplicativo desenvolvido em Matlab. 
 
 
 
(a)         (b)       (c) 
 
Figura 6: Processo de limiarização. 
 
O aplicativo pode processar os vídeos de duas maneiras individualmente pela“seleção 
simples”, ou em grupos pela “multi-seleção”. As imagens são tratadas pelo processo de 
limiarização, Fig. 6 (a), no qual um valor limite de pixel deve ser indicado de tal forma que 
os pixels acima desse valor representem os contornos da bolha, assumindo o valor 1 (branco) 
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e binarizando assim as imagens. Essas imagens binarizadas podem apresentar interferências, 
dessa maneira são utilizados filtros, que servem para eliminar pixels indesejados (ruídos) e 
também para destacar a borda das bolhas. Dois filtros são utilizados para que a imagem seja 
recuperada: erosão, Fig.6 (b) e dilatação, Fig.6 (c). 
 
Após a identificação da bolha, Fig. 7 (a), ela é comprimida em duas colunas, uma vertical e 
outra horizontal. Esse processo é denominado esqueletização, Fig.7 (b). Nele são processados 
o comprimento e o diâmetro da bolha. Essas informações são necessárias para o cálculo da 
área, que será utilizada posteriormente para obtenção da fração de vazio. 
 
 
(a)      (b) 
 
Figura 7: Processo de esqueletização. 
 
Através desta metodologia os regimes do tipo Bubbly e Slug foram diagnosticados. As bolhas 
com comprimento ( bL ) maior que o diâmetro do tubo ( tD ), foram classificadas como Slug e 
as bolhas de bL , menor que o diâmetro do tubo tD , são classificadas como Bubbly. Esse tipo 
de classificação é consistente com a literatura [6, 7]. 
 
As áreas das bolhas foram calculadas de acordo com a Eq.  (1) para o regime  Slug, e a Eq. 
(2) para o regime Bubbly. 
 
2
22
1
*
2












 bb
b
bb
D
D
D
LA                                                                                       (1) 
 
4
**

bbb DLA                                                                                                     (2) 
 
Sendo Lb , Db, tL (Comprimento Visível do Tubo)  e tD , definidos na Fig. 8.  
A fração de vazio local, α, é calculada da seguinte forma: 
tt LDvisívelÁrea
visívelÁrea
bolhadaÁrea










 100
                                                                                                    (3) 
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Figura 8: tL ,Lb , tD  e Db   
 
 
4. RESULTADOS 
 
Foram processados 12 vídeos e geradas 12 planilhas. Como resultados do processamento 
foram obtidos o número do frame, velocidade, comprimento, diâmetro, área e fração de vazio 
local para cada bolha. A Tab. 1 apresenta os resultados do processamento de um vídeo típico. 
A fração de vazio local variou de 0,6% a 15,6% para o regime bubbly. Para o regime slug 
apresentou uma variação de 24,3% a 32,9%. 
 
 
5. CONCLUSÕES 
 
O trabalho realizado consistiu no desenvolvimento de uma metodologia para diagnóstico dos 
regimes água-vapor, gerados em um circuito de circulação natural bifásica. A metodologia 
proposta foi baseada em uma técnica de visualização pela filmagem em alta velocidade dos 
experimentos realizados no circuito, e posterior processamento das imagens gravadas. O 
processamento foi feito através de um aplicativo desenvolvido em Matlab. Os resultados 
obtidos demonstraram que os regimes de bolhas (bubbly) e slug puderam ser bem 
identificados, sendo possível determinar os parâmetros comprimento, velocidade e fração de 
vazio local. Já para o regime churn o aplicativo ainda necessita de melhorias.  
 
AGRADECIMENTOS 
 
Os autores agradecem a FAPERJ e ao CNPq pelo apoio financeiro. Amanda C. Barbosa 
agradece ao CNPq e a CNEN pela bolsa de iniciação científica.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
INAC 2015, São Paulo, SP, Brazil. 
 
Tabela 1:Resultados do processamento de um vídeo. 
 
Frame Velocidade 
(m/s) 
Comprimento 
(m) 
Diâmetro 
(m) 
Área 
(m²) 
 α 
 (%) 
Regime 
52 0,231615 0,011581 0,007682 6,99×10
-5
 2,694123 Bubbly 
161 0,141351 0,027092 0,019068 0,000406 15,64337 Bubbly 
237 0,036724 0,003672 0,016139 4,65×10
-5
 1,79473 Bubbly 
370 0,144956 0,026575 0,019399 0,000405 15,61174 Bubbly 
438 0,189238 0,012616 0,007848 7,78×10
-5
 2,998272 Bubbly 
689 0,206188 0,027492 0,017778 0,000384 14,80046 Bubbly 
807 0,204819 0,030723 0,017649 0,000631 24,33422 Slug 
846 0,213312 0,023109 0,018147 0,000329 12,6987 Bubbly 
892 0,127805 0,00639 0,010741 5,39×10
-5
 2,078414 Bubbly 
932 0,182813 0,009141 0,009764 7,01×10
-5
 2,702703 Bubbly 
1182 0,224354 0,014957 0,01063 0,000125 4,814637 Bubbly 
1276 0,134975 0,026995 0,018386 0,00039 15,02998 Bubbly 
1329 0,269637 0,017976 0,006356 8,97×10
-5
 3,459818 Bubbly 
1467 0,153309 0,031939 0,017336 0,000639 24,65582 Slug 
1739 0,157125 0,02095 0,020578 0,000339 13,05516 Bubbly 
1793 0,280482 0,014024 0,008143 8,97×10
-5
 3,45814 Bubbly 
1885 0,175188 0,035038 0,018957 0,000767 29,56424 Slug 
1961 0,147598 0,0123 0,010888 0,000105 4,055374 Bubbly 
2020 0,245561 0,012278 0,007977 7,69×10
-5
 2,965945 Bubbly 
2222 0,008969 0,001046 0,018626 1,53×10
-5
 0,590208 Bubbly 
2337 0,186318 0,037264 0,01881 0,000802 30,91828 Slug 
2402 0,17103 0,019953 0,01986 0,000311 12,00003 Bubbly 
2691 0,209443 0,02618 0,01811 0,000372 14,35737 Bubbly 
2730 0,121517 0,006076 0,008769 4,18×10
-5
 1,613468 Bubbly 
2791 0,033376 0,005006 0,017225 6,77×10
-5
 2,611486 Bubbly 
2831 0,211194 0,028159 0,012509 0,000277 10,66683 Bubbly 
2877 0,063322 0,003166 0,007756 1,93×10
-5
 0,743623 Bubbly 
3050 0,221129 0,012899 0,008069 8,17×10
-5
 3,151963 Bubbly 
3078 0,198468 0,013231 0,010501 0,000109 4,207451 Bubbly 
3116 0,082877 0,016575 0,017483 0,000228 8,775535 Bubbly 
3195 0,250395 0,016693 0,010906 0,000143 5,513164 Bubbly 
3284 0,213444 0,039131 0,019123 0,000853 32,87612 Slug 
 
 
REFERÊNCIAS 
 
1. Burguer W., Burge M. J., Principles of Digital Image Processing, Springer, Londres, 
Inglaterra, (2009). 
2. Marques Filho, O., Vieira Neto, H., Processamento Digital de Imagens, Brasport, Rio de 
Janeiro (1999). 
3. Lemos, W.F., Su, J., Faccini, J.L.H., “Experimental study of natural circulation 
circuit”,Proceedings ofINAC2011,Belo Horizonte, Brasil (2011). 
4. IAEA, “Natural circulation in water cooled nuclear power plants: phenomena, models, 
and methodology for system reliability assessments”, IAEA-TECDOC – 1474 (2005). 
INAC 2015, São Paulo, SP, Brazil. 
 
5. T. Bui Dihn, T. T. Choi, “Non-Invasive Measurements of Instantaneous Bubble Rise 
Velocity Using Digital Image Analysis”, Mechanics Research Communication,Vol. 28, 
No. 4, pp. 471-475 (2001). 
6. T. Bui Dihn, T. T. Choi, “Application of Image Processing Techniques in Air/Water Two 
Phase Flow”, Mechanics Research Communication,Vol. 26, No. 4, pp. 463-468 (1999). 
7. Taitel, Y., Barnea, D. &Dukler, A. E.; “Modeling flow pattern transitions for steady 
upward gas-liquid flow in vertical tubes.”, AICh E JI, Vol. 26, No 3, pp. 345-354 (1980). 


Diagnóstico de regimes bifásicos em um circuito de circulação natural através de uma técnica de visualização

http://carpedien.ien.gov.br:8080/bitstream/ien/2344/1/Diagn%c3%b3stico%20de%20Regimes%20Bif%c3%a1sicos%20em%20um%20Circuito%20de%20Circula%c3%a7%c3%a3o%20Natural%20Atrav%c3%a9s%20de%20uma%20T%c3%a9cnica%20de%20Visualiza%c3%a7%c3%a3o.pdf

Diagnóstico de regimes bifásicos em um circuito de circulação natural através de uma técnica de visualização

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