The response of in-vacuo plastic pipes due to a leak: experimental, numerical and analytical investigation
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Data
Autores
Orientador
Almeida, Fabrício César Lobato de 
Coorientador
Pós-graduação
Engenharia Mecânica - FEB
Curso de graduação
Título da Revista
ISSN da Revista
Título de Volume
Editor
Universidade Estadual Paulista (Unesp)
Tipo
Tese de doutorado
Direito de acesso
Acesso aberto
Resumo
Resumo (português)
A detecção eficiente de vazamentos em sistemas de distribuição de água é essencial para minimizar perdas e impactos ambientais em setores como saneamento, indústria e infraestrutura. Para isso, compreender o comportamento das tubulações é fundamental, especialmente em técnicas que utilizam a velocidade e a atenuação do ruído do vazamento para localização. Assim, esta tese investiga a propagação de ondas para aprimorar a detecção de vazamentos em tubulações plásticas, integrando métodos analíticos, experimentais e numéricos. Inicialmente, é apresentada uma revisão da literatura sobre técnicas de detecção de vazamentos, diferenciando entre métodos invasivos e não invasivos, além de uma análise dos princípios físicos da propagação de ondas em tubulações com fluido. O estudo utilizou dois bancos de ensaio, no Brasil e no Reino Unido, que, apesar das diferenças de geometria e instrumentação, apresentaram padrões semelhantes. Foram identificados dois principais mecanismos de propagação do ruído do vazamento: a onda acoplada fluido-estrutura (s=1), com forte interação entre a parede do tubo e o fluido, e a onda estrutural (s=2), que se propaga pela parede do tubo. Modelos de elementos finitos 2D e 3D foram desenvolvidos para investigar esses fenômenos, mostrando boa concordância com dados experimentais, especialmente na fase das ondas. Para melhor compreensão, um modelo fenomenológico baseado na rigidez dinâmica do fluido e da tubulação foi desenvolvido, ampliando o modelo original de Pinnington e Briscoe. Esse modelo considerou que a onda estrutural se propaga com uma velocidade próxima à do som no ar em um fluido livre, sendo essa inclusão necessária para compatibilizar os resultados experimentais. As equações derivadas para velocidades de onda e fatores de perda demonstraram que esses mecanismos governam a transmissão de energia do vazamento em tubulações plásticas preenchidas com água e submetidas a vácuo. A onda acoplada fluido-estrutura foi influenciada pela relação entre a rigidez dinâmica da água e da tubulação, afetando velocidade e atenuação, enquanto a onda estrutural apresentou velocidade semelhante às ondas em placas e um fator de perda próximo ao da parede da tubulação.
Resumo (inglês)
Efficient leak detection in water distribution systems is essential for minimizing losses and environmental impacts in sectors such as sanitation, industry, and infrastructure. To achieve this, understanding pipe behaviour is crucial, especially in techniques that rely on leak noise velocity and attenuation for localization. Therefore, this thesis investigates wave propagation to enhance leak detection in plastic pipelines by integrating analytical, experimental, and numerical methods. Initially, a review of the literature on leak detection techniques is presented, differentiating between invasive and non-invasive methods. Additionally, an analysis of the physical principles governing wave propagation in fluid-filled pipes is provided. Two test rigs were used in this study: the Tupan test rig in Brazil and the Southampton test rig in the UK. Despite differences in geometry, material characteristics, and the transducers used for measurements, both test rigs exhibited similar patterns, suggesting the presence of two primary mechanisms responsible for leak noise propagation along the pipe. One is the fluid-structure coupled wave (s=1), characterized by strong coupling between the pipe wall and the fluid. The other is the structural wave (s=2), which propagates within the pipe wall. These mechanisms were initially investigated using 2D and 3D finite element models. The transfer function between the leak position and any measurement point along the pipe was used as the basis for comparison. The models showed strong agreement with actual leak data from both test rigs, particularly regarding phase information, further supporting the presence of these mechanisms. Although these models provide a more realistic representation, they lack direct physical interpretation. To better understand these mechanisms, a phenomenological model was developed, building upon the wave-based model developed by Pinnington and Briscoe. However, this study introduced a dynamic stiffness approach, accounting for fluid and pipe stiffness. Additionally, it considered that the structural wave propagates at a velocity similar to that of sound in air within a free fluid, an aspect not included in the original Pinnington and Briscoe model but necessary to match the experimental results from the test rigs. Equations for wave speeds and loss factors were derived, demonstrating that these wave types govern leak energy transmission in in-vacuo water-filled plastic pipes. The fluid-structure coupled wave was highly influenced by the ratio between the dynamic stiffness of the water and that of the pipe, affecting both wave speed and attenuation. In contrast, the structural wave exhibited a speed similar to that of waves in plates and a loss factor closer to that of the pipe wall.
Descrição
Palavras-chave
Leak excitation, Leak noise mechanisms, In-vacuo plastic pipe, Wave propagation, Mecanismos de ruído de vazamento, Tubulação de plástico no vácuo, Propagação de ondas
Idioma
Inglês
Citação
QUARTAROLI, Matheus Mikael. The response of in-vacuo plastic pipes due to a leak: experimental, numerical and analytical investigation. Orientador: Fabrício César Lobato de Almeida. 2025. 119 f. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) - Faculdade de Engenharia, Universidade Estadual Paulista (UNESP), Bauru, 2025.
