Static and dynamic analysis of a piping system

Abstract

An Investigation of flow-induced vibration is presented in this thesis. Three finite elements models for the pipe system were developed: a structural finite element analysis model with multi-support system for frequency analysis, a fluidstructure interaction (FSI) finite element model and a transient flow model for waterhammer induced vibration analysis in a fluid filled pipe. The natural frequencies, static, dynamic and thermal stresses, and the limitation of the pipeline system were investigated. The investigation demonstrates that a gap in a support at the segment k has a negative effect on the entire piping system. It was determinated that the first natural frequency of the whole system occurs at 2.07 Hz, and the second at a frequency of 5.65 Hz. Resonance vibration for the first mode shape was found at a flow rate of 40 lbm/s, and resonance vibration for the second mode shape occurs at a flow rate of 275lbm/s. In the warterhammer analysis, the limit maximum flow rates were determinated based on the rate of a rapid closure of the isolation valve. A study of the fluid transient in a simple pipeline was performed. Results obtained from FE model for fluid-structure interaction was compared with a model without considering fluid-structure interaction effects. The results show notable differences in the velocities profile and deformation due to the fluid-structure interaction effects.

Una investigación de vibración inducida por fluido es presentada en esta tesis. Tres modelos de elementos finitos para las tuberías fueron desarrollados: un modelo estructural de elementos finitos con múltiples soportes para un análisis de frecuencias, un modelo de elementos finitos de fluido estructura y un modelo de fluido transiente para análisis de golpe de ariete en una tubería llena de fluido. Las frecuencias naturales, estreses dinámicos, estáticos y termales, y las limitaciones de la tubería fueron investigados. Al inspeccionar la tubería, se encontró un espacio entre el segmento K y su soporte. Los resultados indicaron que el espacio encontrado en este segmento tiene un efecto negativo en toda la tubería. Se determino que la primera y la segunda frecuencia natural del sistema completo ocurre a 2.07 Hz y a 5.65 Hz respectivamente. Para la primera forma de vibración fue encontrada resonancia a una razón de flujo de 40 lbm/s, y para la segunda forma de vibración a una razón de 275 lbm/s. Para el análisis de golpe de ariete, el límite máximo de flujo fue determinado basado en la razón de cerrado de la válvula de aislamiento. Se completó un estudio de flujo transiente para una tubería simple. Los resultados obtenidos del modelo de elementos finitos para el caso de interacción fluido-estructura fueron comparados con el modelo sin el efecto de la interacción. Se identificaron diferencias significativas entre los modelos.