Thesis (Ph.D.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Aeronautics and Astronautics, 1979. / MICROFICHE COPY AVAILABLE IN ARCHIVES AND AERONAUTICS. / Vita. / Includes bibliographical references. / Ph.D.

Thesis (Ph.D.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Mechanical Engineering, 1980. / MICROFICHE COPY AVAILABLE IN ARCHIVES AND ENGINEERING. / Includes bibliographical references. / by Mohamed Tayeb Benchaita. / Ph.D.

The main objective of this thesis is to study and investigate the dynamics and stability of cantilevered structures subjected to internal, external, or simultaneous internal and external axial flows. This was accomplished, in some cases, by deriving the linear equations of motion using a Newtonian approach and, in other cases, by making the necessary modifications to existing theoretical models. The continuous cantilevered systems were then discretized using the Galerkin method in order to determine their complex eigenfrequencies. Moreover, numerous experiments were performed to compare and validate, or otherwise, the theoretical models proposed. More specifically, the four cantilevered systems studied were the following: (i) a pipe conveying fluid that is fitted with a stabilizing end-piece, which suppresses flutter by blocking the straight-through exit of flow at the downstream end; (ii) a pipe aspirating fluid, which flutters at low flow velocities in its first mode; (iii) a free-clamped cylinder (i.e. with the upstream end free and the downstream end clamped) in confined axial flow, which also flutters at low flow velocities in its first mode and eventually develops a buckling instability; and (iv) a pipe subjected to internal flow, which after exiting the pipe is transformed to a confined counter-current annular flow, that becomes unstable by flutter too.

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The present study describes the flow characteristics of swirling flows induced by twisted tape inserts in circular pipes. The study is focused on the secondary flow which is investigated experimentally and with numerical models. The results are expected to improve the paper manufacturing process by identifying and removing the detrimental secondary flow. Experimental tests show for the first time the existence of two co-rotating helical vortices superimposed over the main swirling flow, downstream of twisted tapes. The close proximity of the two co-rotating vortices creates a local counter-rotating flow at the pipe centerline. The flow is analyzed using LDV measurements and high speed camera visualization with fine air bubbles seeding which confirm that the helical vortices are stable. After extracting the characteristic tangential velocity profiles of the main vortex and of the two secondary vortices, it was observed that the maximum tangential velocity of all three vortices is the same, approximately half of the bulk velocity. The winding of the helical vortices is in the swirl direction and the pitch of the helical vortices is found to be independent of the inlet velocity. The experimental findings are confirmed by numerical simulations. The numerical results show that the helical vortices originate inside the swirler and evolve from single co-rotating vortices on each side of the tape. The flow characteristics are analyzed in detail. Swirlers with multiple twists and multiple chambers are shown to have less stable secondary motion and could be employed in applications were the secondary motion is detrimental.

Orientador: Luiz Felipe Mendes de Moura / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-14T18:46:51Z (GMT). No. of bitstreams: 1 MartinezGalvis_RodrigoAndres_M.pdf: 4057448 bytes, checksum: 3bb97fcf91e9831006e4abebab3eadfd (MD5) Previous issue date: 2009 / Resumo: Os sistemas de transporte de óleos pesados, que adicionam um líquido de menor viscosidade como água, geram uma mistura que pode escoar em diferentes padrões. Um deles é o escoamento anular ou core-flow, onde a água escoa na região perimetral anular e o óleo na região central, permitindo uma diminuição da potencia utilizada no transporte convencional. Quando são injetados óleo e água torna-se necessário monitorar o comportamento deste processo. Uma solução do problema consiste em utilizar uma sonda não-intrusiva, que utiliza a modificação do campo elétrico devida à diferença entre as permissividades do óleo e da água num capacitor de placas côncavas colocado na superfície externa da tubulação, de maneira que a distribuição das fases modifica a capacitância. Existem diferentes geometrias para os eletrodos, formas de colocar-los na tubulação, separação entre eletrodos, entre outros parâmetros que podem modificar o comportamento do sensor. Testar as diferentes configurações de forma experimental pode resultar árduo. Aproveitando a natureza do fenômeno e as leis físicas que o governam, é possível utilizar ferramentas computacionais e, mediante técnicas numéricas, obter soluções que ajudem a agilizar o processo de desenvolvimento. Pode-se testar um volume razoável de configurações e obter um mapa do comportamento do sistema, para que na etapa de testes sejam somente utilizados os parâmetros que deram as melhores respostas. As simulações dependem da escolha de diferentes parâmetros e devem fornecer respostas não ambíguas, que possam ser lidas com um sistema eletrônico. Neste trabalho são levadas em conta diferentes situações presentes em escoamentos do tipo core-flow que afetam a medida feita pela sonda, como a variação do diâmetro do fluido que escoa na região central (neste caso é o óleo), a excentricidade que pode apresentar esta região, a mudança de permissividades devida às emulsificações ocasionadas na injeção do óleo na tubulação cheia de água e o efeito volumétrico do capacitor. / Abstract: The heavy oil transport systems, that add a liquid of lower viscosity as water, generate a mixture which can flow with different patterns. One of them is the core-flow, where water flow in the annular region and the oil in the core, allowing a reduction in the power used in the conventional transport. When oil and water are injected it becomes necessary monitoring the behavior of the process. One solution for this problem consists in use a non-intrusive probe, which uses a modification of the electric field due to the difference between the oil and the water permittivities, inside a capacitor of concave plates placed in the external surface of the pipe, thus the distribution of the phases modifies the capacitance. There are different geometries for the electrodes, ways for placing them in the pipe, separation between electrodes, among other parameters, which can modify the sensors behavior. Taking advantage of the nature of the phenomenon and the physical laws that govern it, is possible to use computational tools and, by numerical techniques, to get solutions that help expediting the development process. It can be tested a reasonable volume of configurations and getting a map of the behavior of the system, so that in the stage of testing only will be used the parameters which provided the best answers. The simulations depend on the choice between different parameters and should not provide ambiguous answers, which can be read with an electronic system. In this work are taking into account different situations in draining of the core-flow kind that affect the measurement made by the probe, such as the variation of the diameter of the fluid that flows in the central region (in this case oil), the eccentricity that can show this region, the changes i the permittivity due to the emulsion produced in the oil injection in to the tubing full of water and the volumetric effect of the capacitor. / Mestrado / Termica e Fluidos / Mestre em Engenharia Mecânica

Orientadores: Ana Maria Frattini Fileti, Sandra Lúcia da Cruz / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-18T11:17:01Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Santos_RejaneBarbosa_M.pdf: 7186526 bytes, checksum: a1d9198f8a8453c6c0cc532057d71723 (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: A cada ano cresce o número de tubulações transportando gases e líquidos, ocasionando a necessidade de aumentar a confiabilidade operacional dos dutos. Considerando a importância do monitoramento dos sistemas de tubulações, o presente trabalho tem por objetivo o desenvolvimento e teste de técnicas de detecção de vazamentos de gases em um sistema de tubulação, baseada nos métodos acústicos, visando à detecção e à determinação da magnitude dos vazamentos, além da localização dos mesmos através da utilização de redes neurais artificiais. Foram provocados vazamentos, com diferentes magnitudes de orifícios, em tubulação de ferro galvanizado de 60m e em tubulação flexível de 100 m de comprimento, transportando ar comprimido. Os ruídos sonoros dos vazamentos foram captados por microfone e analisados para as duas tubulações,sob diversas condições de pressão inicial do ar (2, 4 e 6 kgf/cm2) e de localização do vazamento.O microfone foi instalado no vaso de pressão,localizado no início da tubulação, e acoplado a uma placa de aquisição de dados num microcomputador. Os dados experimentais obtidos através deste microfone foram decompostos em ruídos de diferentes freqüências por meio de um circuito eletrônico de condicionamento de sinais. Para cada pressão inicial, a dinâmica destes ruídos no tempo foi utilizada como entrada do modelo neural para determinar a magnitude do vazamento provocado (saída do modelo). Quando detectada a existência do vazamento pelo primeiro modelo, um segundo modelo neural é acionado para a localização do mesmo na respectiva tubulação. O método de Levenberg- Marquardt com Regularização Bayesiana foi utilizado no treinamento dos modelos neurais.Através dos resultados obtidos observou-se que os vazamentos foram adequadamente detectados por método acústicos, para todos os orifícios utilizados. Entretanto, quando os vazamentos eram muito próximos (1,5 m), os sinais captados pelo microfone utilizado foram muito parecidos, dificultando a localização do mesmo pelo segundo modelo. Os resultados indicaram a grande potencialidade dos modelos desenvolvidos. Para a tubulação flexível, nas pressões 4 e 6 kgf/cm², e para todos os casos da tubulação rígida, os modelos neurais apresentaram 100 % de acerto na detecção. Quanto à predição da magnitude de vazamento, considerando que os dados de saída apresentados à rede neural se constituíam de números inteiros da medida em milímetros, efetuou-se o arredondamento da saída da rede neural e, verificou-se que desta forma, são anulados todos os erros ocorridos em todos os testes realizados. Em testes utilizando apenas a tubulação rígida, com ar comprimido a 6 kgf/cm², o modelo neural para determinar a localização do vazamento desempenhou um bom comportamento, caracterizando a predição do local com erro máximo de 0,6 m. Com o uso desta metodologia elimina-se a necessidade de monitoramento constante do operador humano na tela do computador, analisando os gráficos gerados pelos sinais acústicos, pois os modelos podem gerar um alarme informando a ocorrência, o tamanho e a localização do vazamento / Abstract: Every year the number of pipelines transporting gases and liquids increases, requiring improvements in the operating reliability of pipelines. Considering the importance of monitoring piping systems, the aim of the present work is to develop and test a technique to detect gas leaks in pipes, based on acoustic method, in order to determine the occurrence and the magnitude of leaks, besides locating the leakage, by using neural artificial networks. Leakages of distinct magnitudes were triggered in a 60m-galvanized iron pipe and in a 100m-flexible pipe, which transports compressed air. The audible noise, generated by leaks in both pipelines operating under different initial air pressures (2, 4 and 6 kgf/cm2) and for distinct locations, was captured by the microphone and then analyzed. The experimental data, obtained through a microphone installed inside the pressure vessel and connected to a data acquisition system, was decomposed by an electronic circuit into sounds of different frequencies. For each initial pressure employed, the dynamic of these noises in time was used as input to the neural model in order to determine the occurrence and magnitude of the leak (model output). Once detected the occurrence of a leakage, a second neural model is activated to determine its position in the pipeline. The method chosen for training the neural networks was the Levenberg-Marquardt with Bayesian Regularization. From the results, it was observed that the leaks were properly detected by the acoustic method in all situations. Nevertheless, there were similarities among captured signals from very close leakages (1.5m), which affected the location prediction from the model. The results indicated that the developed models were powerful tools for online monitoring rigid and flexible pipes. For the flexible pipe, using pressures 4 and 6 kgf/cm², and for all operating conditions of the iron pipe, the neural models showed 100% accuracy in leak detection. For the leakage magnitude prediction, whereas the output data presented to the neural network was integer numbers of the measurement (mm), the output of the neural network was rounded, vanishing the small decimal errors detected in all tests. In tests using only the iron pipeline, with compressed air at 6 kgf/cm2, the leak location prediction model performed well, pointing out the local with maximum error of 0.6 m. By using this methodology, the human operator will not need to monitor the graphics on computer screen because the neural models can strike an alarm for the leak occurrence, simultaneously displaying its magnitude and location / Mestrado / Sistemas de Processos Quimicos e Informatica / Mestre em Engenharia Química

Orientador: Eugênio Spanó Rosa / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-18T15:26:34Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Lima_LuizEduardoMelo_D.pdf: 3018902 bytes, checksum: ac45ca48369c0c21398892fa2f7de5ac (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: Escoamentos gás-líquido são frequentemente encontrados na natureza, bem como em diversas aplicações industriais. Na área de produção de petróleo, por exemplo, em sistemas de elevação natural ou artificial (gas-lift contínuo ou intermitente), gás e óleo escoam simultaneamente em tubulações. A previsão de escoamentos gás-líquido torna-se necessária à viabilidade técnica-econômica de muitos processos industriais, por exemplo, na indústria de petróleo devido ao aumento do consumo mundial de combustíveis e a descoberta de novos campos petrolíferos. Em escoamentos gáslíquido, as fases se distribuem espacialmente e temporalmente ao longo da tubulação dependendo das vazões, propriedades físicas das fases e das características da tubulação, entre outros parâmetros. A combinação destes fatores gera diversos padrões de escoamento gás-líquido que podem ser agrupados em três classes principais: disperso, separado e intermitente. Os principais objetivos deste trabalho são o desenvolvimento e a análise de uma modelagem unidimensional em regime permanente, baseada no modelo de mistura, que permita a simulação de escoamentos isotérmicos gás-líquido em tubulações com seção transversal circular constante, considerando a fenomenologia envolvida nestes escoamentos. Dentre as contribuições obtidas com a realização deste trabalho destacam-se: a identificação das vantagens e limitações do modelo; as análises de suas formulações, dos parâmetros de fechamento e de sensibilidade às variáveis relacionadas aos padrões; a proposição de um método de solução para um modelo fenomenológico de força de atrito na parede, aplicável aos diversos padrões de escoamento gás-líquido. Os resultados do modelo de mistura foram comparados contra dados experimentais do gradiente de pressão de escoamento nos padrões disperso, separado e intermitente, em diversas inclinações de tubo. Além disto, foram realizadas análises envolvendo transição de padrão de escoamento num tubo vertical. Os resultados obtidos demonstraram que o modelo de mistura captura de forma satisfatória o gradiente de pressão para os diversos padrões de escoamento gás-líquido, num único algoritmo de integração / Abstract: Gas-liquid flows are often found in nature as well as in various industrial applications. In the oil production, for example, in natural or artificial lift systems (continuous or intermittent gas-lift), gas and oil flow simultaneously in pipes. The prediction of gas-liquid behavior becomes necessary for technical and economic viability of many industrial processes, for example, the oil industry due to the increase of world oil consumption and the discovery of new oilfields. In gas-liquid flow, the phases are distributed spatially and temporally along the pipe depending on the flow rate, phase's physical properties and pipe characteristics, among other parameters. The combination of these factors creates different gas-liquid flow patterns that can be grouped into three main classes: dispersed, separated and intermittent. The main objectives of this work are the development and analysis of a steady one-dimensional modeling, based on the mixture model, which allows the simulation of isothermal gas-liquid flow in pipes with constant circular cross section, considering the phenomenology involved in these flows. Among the contributions obtained in this work stand out: to identify the advantages and limitations of the model; the analysis of their formulations, closing parameters and sensibility to variables related to the patterns; to propose a solution method for a phenomenological model of the wall friction force, applied to the different gas-liquid flow patterns. The mixture model results were compared against pressure gradient experimental data from flow in the dispersed, separated and intermittent patterns, in different pipe inclinations. In addition, it was performed an analysis of the flow pattern transition in a vertical pipe. The results showed that the mixture model captures satisfactorily the pressure gradient for different gas-liquid flow patterns, in a single integration algorithm / Doutorado / Termica e Fluidos / Doutor em Engenharia Mecânica