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Master's Dissertation
DOI
10.11606/D.18.2017.tde-10112017-171903
Document
Author
Full name
Ricardo Patricio Alvarez Briceño
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Carlos, 2014
Supervisor
Committee
Oliveira, Leopoldo Pisanelli Rodrigues de (President)
Gonçalves, Paulo José Paupitz
Laier, José Elias
Title in Portuguese
Projeto e análise de dispositivo dinâmico para o estudo das vibrações induzidas por escoamentos bifásicos
Keywords in Portuguese
Escoamento multifásico
Fração de vazio
Frequência de ressonância
Tubo montado flexivelmente
Vibração induzida por escoamentos
Abstract in Portuguese
As Vibrações Induzidas por Escoamentos (VIEs) são dos problemas dinâmicos mais importantes no projeto de trocadores de calor de tipo carcaça e tubos. Esta interação fluido - estrutura pode gerar vibrações de grande amplitude dos tubos ou partes internas do equipamento, o que pode provocar o impacto entre componentes e até falha por fadiga. Várias bancadas experimentais têm sido construídas para o estudo desta interação fluido - estrutura, no entanto, alguns mecanismos de vibração, principalmente aqueles relacionados com escoamentos bifásicos, não são completamente compreendidos. Portanto, neste trabalho, o projeto de uma estrutura dinâmica para o estudo das vibrações induzidas por escoamento bifásico é apresentado. Esta estrutura é composta por um sistema de fios de aço tensionados que permitem que a primeira frequência de ressonância do tubo seja sintonizada. O tubo instrumentado foi instalado numa seção de testes de tubos rígidos em configuração triangular normal com uma razão de passo transversal e diâmetro de 1,26. Os resultados experimentais foram contrastados com uma modelagem teórica desenvolvida para esta estrutura dinâmica. Pôde-se verificar que a primeira frequência de ressonância e seu fator de amortecimento coincidem com os valores estimados pelo modelo, enquanto que a segunda frequência de ressonância apresenta valor teórico 6,6% maior do que o experimental. A seguir, um estudo experimental no ar foi desenvolvido para o reconhecimento dos modos de vibração e as frequências de ressonância da estrutura dinâmica. O fator de amortecimento no ar também foi estimado, o método de Kennedy - Pancu combinado com o algoritmo ERA foi usado para este fim. Assim que a primeira frequência de ressonância foi reconhecida e sintonizada, testes em escoamentos de água foram realizados. A influência da velocidade do escoamento monofásico de água na amplitude de vibração e nas características da Densidade Espectral (PSD) de aceleração foi analisada. Finalmente, testes em escoamento bifásico foram feitos, a sensibilidade do tubo ao escoamento bifásico fica evidente quando analisadas as amplitudes nas PSDs. Além disso, a influência da fração de vazio na amplitude de vibração e no fator de amortecimento foi revisada, no entanto, resultados de estudos anteriores não foram conferidos pelo alto amortecimento concentrado introduzido por alguns elementos construtivos utilizados.
Title in English
Design and analysis of a dynamic structure for the study of multiphase flow induced vibration
Keywords in English
Flexible mounted tube
Flow - induced vibration
Multiphase flow
Void fraction resonance frequency
Abstract in English
Flow - Induced Vibration (FIV) is the most critical dynamic issue in the design of heat exchangers. This fluid - structure phenomenon may generate high amplitude vibration of tubes or structural parts, which may lead to impacts between internal components or even failure due to fatigue. Many test benches have been constructed to study this fluid - structure interactions, however, some vibration mechanisms, mostly those related to multiphase flow, are not yet fully understood. Therefore, in this work, the design of a dynamic structure for the study of multiphase flow induced vibration is presented. This structure is composed by a system of tensioned piano wires that allow the first natural frequency of the instrumented tube to be calibrated. The tube was installed in a rigid bundle configured in a normal triangular pattern with pitch-todiameter ratio of 1.26. Then, an experimental study in air environment was performed aiming at addressing the mode shapes and resonance frequencies of the dynamic structure. The damping ratio in air environment was also estimated, the Kennedy - Pancu method in combination with the Eigensystem Realization Algorithm have been used to that purpose. Experimental results in air were compared with a theoretical model. The first resonance frequency and its damping factor presented a good agreement with the model, while the second resonance frequency deviated some 6,6% from the predicted value. Tests in water and multiphase flow were also performed. The influence of water flow velocity on vibration amplitudes and on the Power Spectrum Densities (PSDs) has been analyzed. Finally, tests for two - phase water/air flow were carried out; the tube sensitivity to multiphase flow is evident when the vibration level in acceleration PSDs is by analyzed. Also, the influence of void fraction on vibration amplitude and damping ratio have been addressed, however, previous studies could not be validated due to the high damping introduced by some constructive elements of the structure.
 
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Publishing Date
2017-11-13
 
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