Numerical modelling of acoustically induced vibration in gas pipeline systems considering reciprocating compressor pulsation as the main source of excitation

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Tuozzo, Diego Martin
Data de Publicação: 2022
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Institucional da UFSC
Texto Completo: https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/234770
Resumo: Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2022.
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spelling Numerical modelling of acoustically induced vibration in gas pipeline systems considering reciprocating compressor pulsation as the main source of excitationEngenharia mecânicaGásVibraçãoAcústicaMétodo dos elementos finitosDissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2022.A vibração estrutural de tubulações de transporte de gás pode ser fortemente afetada pela resposta do campo acústico representado pelo gás pressurizado dentro da tubulação, cilindros e outros componentes relacionados. As Vibrações Acusticamente Induzidas (VAIs) resultantes podem ser uma causa de falha, por exemplo, em sistemas de compressores alternativos. Neste trabalho, um procedimento baseado em soluções de propagação de onda plana considerando acústica linear 1D com dissipação em guias de onda cilíndricas com paredes rígidas, com e sem fluxo meio, é pesquisado procurando modelar o campo de pressão interno de tubulações. O Método dos Elementos Finitos de Transferência (MEFT) é implementado para resolver numericamente o resultante problema acústico harmônico, utilizando os resultados para analisar as causas de um problema de VAIs assim como também modelar a excitação acústica de uma tubulação em uma análise estrutural de vibrações de baixa frequência. Quatro modelos de amortecimento são apresentados e, considerando o clássico modelo de propagação de onda não amortecido, cinco elementos acústicos são obtidos (para fluido estagnado). Também, dois modelos de amortecimento para o caso de propagação de onda em um fluido em movimento (fluxo médio) são analisados e implementados através de dois elementos aeroacústicos propostos. O comportamento físico de junções típicas em tubulações é também pesquisado e implementado através de uma correção de comprimento acústica e aeroacústica. No caso de uma restrição do fluxo ao longo da tubulação, uma formulação de MEFT é proposta para considerar efeitos acústicos não lineares em um elemento de impedância de transferência. Ademais, uma discussão relacionada com o tamanho mínimo e máximo de elemento utilizado no MEFT é apontada. A eficácia da estratégia do MEFT é verificada utilizando como exemplos de aplicação uma variedade de geometria típicas de tubulações de gás com condições de contorno específicas tanto para o caso de fluido estagnado quanto para o fluido em movimento. %São apresentados gráficos de pressão nodais em função da frequência para todos os elementos propostos do MEFT e modelos de amortecimento relacionados. Foram atingidos resultados coerentes utilizando o procedimento proposto quando os gráficos na frequência são comparados com resultados experimentais e com resultados da aplicação do método dos elementos finitos (MEF) em modelos equivalentes 3D.Abstract: Structural vibration of gas pipeline systems can strongly be affected by the response of the acoustic domain represented by the gas being transported through pressurized pipes, cylinders and other related components. The resultant Acoustically Induced Vibration (AIV) can be a cause of failure, for example, in reciprocating compression systems. In this work, a procedure based on analytical plane wave solutions for 1D dissipative linear acoustics considering cylindrical rigid wall waveguides, with and without containing a mean flow, is investigated aiming to model the internal pressure field of pipeline systems. The Finite Element Transfer Method (FETM) is implemented to numerically solve the resultant time-harmonic acoustic problem, whose results can be used to analyze the causes of an AIV problem or even as excitation for structural analysis of low frequency vibrations in piping structures. Four different damping models are presented (apart from the classical undamped model) resulting in five different acoustic elements for the quiescent fluid case. In addition, two different damping models are analyzed for the case of a fluid with a mean flow and implemented through two proposed flow-acoustic elements. The physical behavior of certain typical geometries junctions is also investigated, implemented through acoustic and flow-acoustic length corrections. In the case of restricting the flow along the pipeline, a FETM formulation is proposed to account for non-linear effects in a transfer impedance element. In addition, a discussion related to the minimum and maximum FETM element size is presented. The effectiveness of the whole FETM strategy is verified using a variety of representative gas pipeline geometries as application examples with a particular set of boundary conditions for quiescent and moving fluid medium. Nodal pressure frequency plots of cases considering all the proposed acoustic and flow-acoustic elements, and related damping models, are presented. Coherent results were achieved using the proposed procedure when frequency plots are compared with experimental data and 3D FEM equivalent models.Lenzi, ArcanjoSilva, Olavo M.Universidade Federal de Santa CatarinaTuozzo, Diego Martin2022-05-19T14:48:20Z2022-05-19T14:48:20Z2022info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesis205 p.| il., gráfs.application/pdf374634https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/234770engreponame:Repositório Institucional da UFSCinstname:Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)instacron:UFSCinfo:eu-repo/semantics/openAccess2022-05-19T14:48:21Zoai:repositorio.ufsc.br:123456789/234770Repositório InstitucionalPUBhttp://150.162.242.35/oai/requestopendoar:23732022-05-19T14:48:21Repositório Institucional da UFSC - Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)false
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