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Doctoral Thesis
DOI
https://doi.org/10.11606/T.18.2018.tde-17062020-224536
Document
Author
Full name
Ricardo Patricio Alvarez Briceño
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Carlos, 2018
Supervisor
Committee
Oliveira, Leopoldo Pisanelli Rodrigues de (President)
Cavalini Junior, Aldemir Aparecido
Fabro, Adriano Todorovic
Pesce, Celso Pupo
Ribatski, Gherhardt
Title in English
Experimental assessment of equivalent loads and dynamic parameters on vibration induced by two-phase crossflow in tube bundles
Keywords in English
cantilever-beam
flow-induced vibration
Kalman Filter
turbulence-induced vibration
two-phase flow
Abstract in English
Flow-induced vibration (FIV) is probably the most critical dynamic issue in the design of tube bundles in shell-and-tubes heat exchangers. This fluid-structure phenomenon may generate high amplitude vibration of tubes or structural parts, which leads to fretting wear between the tubes and supports, noise or even fatigue failure of internal components. Several test sections have been constructed in order to study FIV problems, however, the vibration properties of tubes in the tube bundle, principally those related with two-phase flow, have not been totally understood yet. In order to enhance the current understanding on these phenomena, the present research proposes an extensive review on the behavior of the dynamic parameters of tube vibration in tube bundles. Furthermore, the characteristics of turbulence-induced vibration mechanism, including the design guidelines to predict its severity, are analyzed. Such a study is complemented by an experimental campaign in which the databases of dynamic parameters and turbulence-induced vibration design guidelines found in literature are validated. For this, a 19 mm O.D. and 381 mm long tube was mounted in cantilever in a tube bundle with normal triangular configuration (τ = 1.26), which is subjected to upward air-water crossflow with void fractions from 30% to 95%. The dynamic response of this tube was measured by using piezoelectric microaccelerometers. The obtained results show good agreement with the database of dynamic parameters and turbulenceinduced vibration design guidelines. Further, the results allowed the redefinition of a design guideline, which led to understand fluid-structure interaction as a function of flow patterns and mass velocities. In addition, Kalman filtering techniques were used to estimate flow-induced forces based on output only. The results suggests the presence of forces with a periodic component of quasi-constant frequency, in transverse direction, for void fractions up to 50%. Furthermore, it was noticed that flow-induced forces are generally higher in parallel direction.
Title in Portuguese
Avaliação experimental de força equivalente e parâmetros dinâmicos na vibração induzida por escoamento bifásico externo em banco de tubos
Keywords in Portuguese
escoamento bifásico
filtro de Kalman
vibração induzida por escoamento
vibração induzida por turbulência
viga em balanço
Abstract in Portuguese
A vibração induzida por escoamentos é provavelmente o problema dinâmico mais importante no projeto da tubulação de um trocador de calor de casco e tubos. Esse fenômeno fluido-estrutural pode gerar vibração de grande amplitude de tubos ou partes estruturais, o qual pode conduzir a situações de desgaste por atrito entre tubos e suportes, ruído ou até falhas por fadiga dos componentes internos. Várias seções de testes vêm sendo construídas visando o estudo da vibração induzida por escoamentos, porém, as características da vibração dos tubos na tubulação, principalmente aquelas relacionadas com escoamento bifásico, não são totalmente compreendidas. Com a finalidade de melhorar o conhecimento atual sobre esse fenômeno, essa pesquisa apresenta uma revisão sobre o comportamento dos parâmetros dinâmicos da vibração dos tubos no trocador. Além disso, as características do mecanismo de vibração induzida por turbulência, incluindo as diretrizes de projeto que estimam sua severidade, são analisadas. Esse estudo é complementado por uma campanha experimental na qual as bases de dados dos parâmetros dinâmicos e as guias de projeto para vibração induzida por turbulência são validadas. Para tanto, um tubo de 19 mm de diâmetro externo e 381 mm de comprimento é montado em balanço num banco de tubos com configuração triangular normal (τ = 1,26), a qual é sujeita a um escoamento vertical ascendente água-ar com frações de vazio desde 30% até 95%. A resposta dinâmica do tubo foi medida usando microacelerômetros piezoelétricos. Os resultados obtidos mostram concordância com as bases de dados, tanto dos parâmetros dinâmicos como das diretrizes de projeto, para vibração induzida por turbulência. Baseado nos presentes resultados, uma das diretrizes de projeto foi reformulada, a qual permitiu entender a interação fluido-estrutura como uma função dos padrões de escoamento e velocidades mássicas. Além disso, técnicas relacionadas ao filtro de Kalman foram usadas para estimar a força induzida pelo escoamento baseado unicamente nas medidas de aceleração. Os resultados dessa análise sugerem a presença de uma componente periódica de frequência quase-constante na direção transversal para frações de vazio menores do que 50%. Ademais, notou-se que as forças estudadas são geralmente maiores na direção paralela à direção da velocidade principal do escoamento.
 
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Publishing Date
2020-06-19
 
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