Investigação teórica da vibração gerada devido escoamento interno em tubos utilizando o método de elementos finitos

Abstract

Tubulações estão presentes na grande maioria das instalações industriais e são essências para setores críticos do processo produtivo. De maneira geral, tubulações tem a função de conduzir fluido entre dois pontos da instalação tendo assim, outras tubulações ou outros equipamentos acoplados. Tubulação é o termo comumente utilizado para definir um conjunto de tubos e seus acessórios (suportes, conexões, bombas, entre outros). Esses sistemas estão expostos a fontes de vibração externa, como por exemplo uma máquina rotativa acoplada (bombas) cuja frequência de rotação pode coincidir com uma das vibrações presentes no sistema. Outro tipo de vibração é aquela gerada pela passagem do escoamento interno devido interação fluido-estrutura resultando no fenômeno flutter. Esse tipo de vibração é do tipo nesse auto excitada gerada por uma instabilidade no sistema. Dessa maneira, nota-se a importância de prever através de modelos analítico/numérico quais as frequências naturais dos tubos, bem como, a estimativa da velocidade crítica para evitar o acontecimento do fenômeno de flutter. Esses modelos podem ser utilizados no auxílio da configuração ideal levando em conta a geometria, propriedades do material e condições de contorno que garantam o funcionamento dos mesmos em uma condição de trabalho segura. Portanto, esse trabalho tem como principal objetivo investigar teoricamente como esses tubos se comportam quando um fluido é transportado causando vibração auto excitada utilizando um modelo numérico de elementos finitos. O estudo levou em conta um tubo com a condição de contorno bi apoiada em suas extremidades, sendo que os efeitos da variação da espessura da parede do tubo e distância entre seus apoios serão estudados para uma faixa determinada de velocidade de fluxo do fluido sob regime de escoamento permanente.

Pipeline systems are present in many industrial installations and are essential for critical sectors of the production process. In general, pipeline systems have the function of conveying fluid between two points of the industrial installation, may having other pipes or other equipment coupled. Pipeline is the term commonly used to define a set of pipes and their accessories (supports, connections, pumps, among others). These systems are exposed to sources of external vibration, such as rotating machines (pumps) coupled to those, in which the rotation frequency can coincide with one of the resonant frequencies present in the system. Another type of vibration is the one generated by the conveying fluid (internal flow) due to the fluid-structure interaction, which results in the so-called flutter phenomenon. This type of vibration is a self-excited one caused by an instability in the system (pipe). It is observed the importance of predicting through analytical/numerical models the natural frequencies of the pipes, as well as the estimated critical velocity to avoid the occurrence of flutter. These models can be used to aid the ideal configuration taking into account the geometry, material properties and boundary conditions that guarantee their operation in a safe working condition. Hence, the main objective of this work is to investigate theoretically how these pipes behave when a fluid is conveyed causing self-excited vibration by using a numerical finite element model. The study will take into account a simple supported pipe at both ends (pinned-pinned condition). Moreover, it will be studied the effects of varying the thickness of the pipe wall together with the distance between the supports over a range of fluid speed under steady state regime.