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Relation between oil-water interfacial flow structure and their separation in the oil-water mixture flow in a curved channel: An experimental study
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2019
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SCOPUS,SCIE
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<P><B>Abstract</B></P> <P>We investigate the oil-water separation in a curved channel under a range of inflow conditions, focusing on the fundamental multiphase flow physics occurring at the oil-water interface. With a silicone oil (viscosity: 10 mm<SUP>2</SUP>/s, density: 935 kg/m<SUP>3</SUP>), we perform a series of water-tunnel experiments to measure the evolution of oil-water mixture flow inside a curved channel, devised for realizing a continuous and effective oil recovery (separation). The oil-water mixture velocity at the channel inlet is 1.35–2.35 m/s (Reynolds and Froude numbers based on the inlet height and length of the channel are 0.6–2.0 × 10<SUP>4</SUP> and 0.14, respectively), and we vary the inlet oil volume fraction as 0.49–0.85. We find that the efficiency of oil separation is strongly affected by the oil-water interfacial flow structures and identify two typical flow patterns: wavy oil-water interface and dispersed-oil flow. When the inlet oil fraction is high ( > 0.74), the instability occurring at the wavy oil-water interface plays a dominant role in determining the oil recovery rate (which is as high as 80% in general). As the inlet oil fraction becomes smaller ( < 0.7), on the other hand, the oil dispersion starts to appear vigorously, which interferes with the oil separation process and the recovery rate drops below 60% at the oil fraction smaller than 0.5. Through the quantitative analysis of the optically measured oil-water interface phenomena, we suggest theoretical models to predict the oil recovery rate as a function of the interfacial fluctuation of wavy oil-water interface and the fraction of dispersed oil phase, depending on the inlet flow conditions. We also propose a strategy to maximize the oil recovery rate of large-scale oil-water separation device, which is expected to be beneficial in many applications.</P> <P><B>Highlights</B></P> <P> <UL> <LI> Continuous and large-scale separation and recovery of oil confirmed experimentally in a curved channel geometry: oil recovery rate over 80% is achieved at higher inlet oil fraction. </LI> <LI> Flow visualization of oil-water mixture flow in a channel: oil recovery performance shows a strong dependence on two interfacial flow phenomena inside the channel: wavy oil-water interface and dispersed oil flow. </LI> <LI> Quantification of the oil-phase by image processing: we introduced two dimensionless parameters related to specific flow patterns and proposed theoretical correlations to link them to the oil recovery rate. </LI> </UL> </P>
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