A thermodynamically consistent modeling of fluid transients in elastic and anelastic pipes

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Andrade, Douglas Monteiro
Data de Publicação: 2024
Tipo de documento: Tese
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Institucional da Universidade Federal Fluminense (RIUFF)
Texto Completo: https://app.uff.br/riuff/handle/1/34636
Resumo: Esta tese de doutorado apresenta um modelo transiente em fluidos capaz de lidar com o comportamento elástico, viscoelástico e elasto-viscoplástico do tubo. Um modelo de escoamento quase 2D para escoamentos internos em tubos deformáveis é empregado como base, e o comportamento anelástico do tubo é incorporado considerando equações constitutivas formuladas em uma estrutura termodinamicamente consistente construída sobre uma teoria de variáveis internas. Tal abordagem fornece diretamente expressões para calcular as taxas de dissipação de energia no fluido e no tubo com precisão e separadamente. Esta nova característica discerne os impactos locais e globais da dissipação de energia nas oscilações de pressão causadas por cada meio (fluid e tubo). As equações governantes do modelo formam um sistema hiperbólico de equações diferenciais parciais cujas soluções aproximadas são obtidas pelo método das características. Tomando como referência sinais de pressão obtidos de instalações experimentais encontradas na literatura, mostra-se que as previsões do modelo são totalmente consistentes. Uma comparação entre as respostas de pressão de tubos anelásticos (viscoelásticos ou elasto-viscoplásticos) e elásticos revela que o comportamento do tubo anelástico provoca uma atenuação e dispersão adicional. Mostra-se também que o conhecimento das parcelas de energia dissipadas no fluido e na tubulação individualmente pode melhorar a compreensão do fenômeno. Modelos acoplados e desacoplados também são analisados e comprovadamente respondem de forma diferente devido aos efeitos localizados na interface tubo-fluido e aos mecanismos de transferência de energia que ocorrem de forma diferente em ambas as abordagens.
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spelling A thermodynamically consistent modeling of fluid transients in elastic and anelastic pipesUma modelagem termodinamicamente consistente para transientes em fluidos em tubulações elásticas e anelásticasTransientes hidráulicosViscoelasticidadeViscoplasticidadeInteração fluido-estruturaViscoelasticidadeViscoplasticidadeTransitório hidráulicoFluid transientsViscoelasticityViscoplasticityFluid-structure interactionEsta tese de doutorado apresenta um modelo transiente em fluidos capaz de lidar com o comportamento elástico, viscoelástico e elasto-viscoplástico do tubo. Um modelo de escoamento quase 2D para escoamentos internos em tubos deformáveis é empregado como base, e o comportamento anelástico do tubo é incorporado considerando equações constitutivas formuladas em uma estrutura termodinamicamente consistente construída sobre uma teoria de variáveis internas. Tal abordagem fornece diretamente expressões para calcular as taxas de dissipação de energia no fluido e no tubo com precisão e separadamente. Esta nova característica discerne os impactos locais e globais da dissipação de energia nas oscilações de pressão causadas por cada meio (fluid e tubo). As equações governantes do modelo formam um sistema hiperbólico de equações diferenciais parciais cujas soluções aproximadas são obtidas pelo método das características. Tomando como referência sinais de pressão obtidos de instalações experimentais encontradas na literatura, mostra-se que as previsões do modelo são totalmente consistentes. Uma comparação entre as respostas de pressão de tubos anelásticos (viscoelásticos ou elasto-viscoplásticos) e elásticos revela que o comportamento do tubo anelástico provoca uma atenuação e dispersão adicional. Mostra-se também que o conhecimento das parcelas de energia dissipadas no fluido e na tubulação individualmente pode melhorar a compreensão do fenômeno. Modelos acoplados e desacoplados também são analisados e comprovadamente respondem de forma diferente devido aos efeitos localizados na interface tubo-fluido e aos mecanismos de transferência de energia que ocorrem de forma diferente em ambas as abordagens.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível SuperiorThis doctoral thesis presents a fluid transient model capable of handling the elastic, viscoelastic, and elasto-viscoplastic behavior of the compliant pipe. A quasi-2D flow model for internal flows in compliant pipes is employed as a base, and the anelastic behavior of the pipe is incorporated by considering constitutive equations formulated in a thermodynamically consistent framework of an internal variables theory. Such an approach straightforwardly provides expressions for computing the rates of energy dissipation in the fluid and pipe accurately and separately. This novel feature discerns the local and overall impacts of the energy dissipation on the pressure oscillations caused by each medium (fluid and pipe). The governing equations of the model form a hyperbolic system of partial differential equations whose approximated solutions are obtained by the method of characteristics. Taking as reference pressure signals obtained from experimental installations found in the literature, it is shown that the model predictions are fully consistent. A comparison between the pressure responses of anelastic (viscoelastic or elasto-viscoplastic) and elastic pipes reveals that the anelastic pipe behavior causes a faster attenuation and dispersion of them. It is also shown that the knowledge of the parcels of energy dissipated in the fluid and pipe individually can improve the comprehension of the phenomenon and be utilized for theoretical and applied research in the field. The coupled and uncoupled models are also analyzed and are proven to respond differently due to localized pipe-fluid interface effects and the bulk mechanisms of energy transfer that occur differently in both approaches.166 f.Rachid, Felipe Bastos de Freitashttp://lattes.cnpq.br/0161441613726404Tijsseling, Arris SienoMattos, Heraldo Silva da Costahttp://lattes.cnpq.br/4223023515340697Costa, Maria Laura Martinshttp://lattes.cnpq.br/1399058889534718Pacheco, Pedro Manuel Calas Lopeshttp://lattes.cnpq.br/5665422340857131Gama, Rogério Martins Saldanha dahttp://lattes.cnpq.br/5725634441963180http://lattes.cnpq.br/0533442938115815Andrade, Douglas Monteiro2024-09-06T19:18:55Z2024-09-06T19:18:55Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfANDRADE, Douglas Monteiro. A thermodynamically consistent modeling of fluid transients in elastic and anelastic pipes. 2023. 166 f. 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