Estudio experimental y computacional de las vibraciones inducidas por flujo interno en tuberías soportadas

Se realizó el diseño del banco de pruebas para estudiar las vibraciones inducidas por flujo, desarrollando un modelo CAD y una simulación del sistema de tuberías transportando el agua, para determinar si ante los parámetros geométricos diseñados se obtendría un flujo turbulento. Así mismo se realiza...

Full description

Autores:
Vargas Rivera, Daniel Andrés
Silva Quibaro, Gustavo Adolfo
Tipo de recurso:
Trabajo de grado de pregrado
Fecha de publicación:
2022
Institución:
Universidad Autónoma de Bucaramanga - UNAB
Repositorio:
Repositorio UNAB
Idioma:
spa
OAI Identifier:
oai:repository.unab.edu.co:20.500.12749/16867
Acceso en línea:
http://hdl.handle.net/20.500.12749/16867
Palabra clave:
Mechatronic
Testing bench
Vibrations
CAD model
Supported pipes
Pipe networks
Structural engineering
Fluid mechanics
Materials testing
Mecatrónica
Redes de tuberías
Ingeniería de esctructuras
Mecánica de fluídos
Ensayo de materiales
Banco de pruebas
Vibraciones
Modelo CAD
Tuberías soportadas
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description Se realizó el diseño del banco de pruebas para estudiar las vibraciones inducidas por flujo, desarrollando un modelo CAD y una simulación del sistema de tuberías transportando el agua, para determinar si ante los parámetros geométricos diseñados se obtendría un flujo turbulento. Así mismo se realiza la selección de la instrumentación, sensores, teniendo en cuenta los parámetros de diseño propuestos. Se diseñó y programa una interfaz en MATLAB para realizar la recolección de la información captada por el sensor de aceleración y el procesamiento de esta misma a través del algoritmo FFT (Fast Fourier Transform por sus siglas en inglés para determinar la frecuencia pico de vibración en la tubería. Se realizó una simulación de elementos finitos para determinar las frecuencias naturales de una tubería sin agua, llena de agua y finalmente bajo la influencia de un flujo turbulento con el fin de estudiar los cambios en dicha frecuencia y así compararlos con a la frecuencia obtenida de forma experimental y teórica; dicha frecuencia teórica se obtiene utilizando modelo propuesto en literaturas. Finalmente se realiza la construcción, puesta a punto del banco de pruebas y posteriormente se efectúan las pruebas correspondientes, para finalmente procesarlas y analizar los resultados, obteniendo las frecuencias naturales de la tubería ante diferentes caudales y así mismo las amplitudes de estas vibraciones con la finalidad de evaluar dichas amplitudes de acuerdo con la norma internacional alemana VDI 3842.
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Así mismo se realiza la selección de la instrumentación, sensores, teniendo en cuenta los parámetros de diseño propuestos. Se diseñó y programa una interfaz en MATLAB para realizar la recolección de la información captada por el sensor de aceleración y el procesamiento de esta misma a través del algoritmo FFT (Fast Fourier Transform por sus siglas en inglés para determinar la frecuencia pico de vibración en la tubería. Se realizó una simulación de elementos finitos para determinar las frecuencias naturales de una tubería sin agua, llena de agua y finalmente bajo la influencia de un flujo turbulento con el fin de estudiar los cambios en dicha frecuencia y así compararlos con a la frecuencia obtenida de forma experimental y teórica; dicha frecuencia teórica se obtiene utilizando modelo propuesto en literaturas. Finalmente se realiza la construcción, puesta a punto del banco de pruebas y posteriormente se efectúan las pruebas correspondientes, para finalmente procesarlas y analizar los resultados, obteniendo las frecuencias naturales de la tubería ante diferentes caudales y así mismo las amplitudes de estas vibraciones con la finalidad de evaluar dichas amplitudes de acuerdo con la norma internacional alemana VDI 3842.AGRADECIMIENTOS .......................................................................................................... 4 DEDICATORIA ..................................................................................................................... 5 Tabla de contenido .................................................................................................................. 6 Lista de tablas .......................................................................................................................... 8 Lista de figuras ........................................................................................................................ 8 Introducción .......................................................................................................................... 11 1 Justificación y descripción breve del problema ............................................................ 12 1.1 Descripción breve del problema........................................................................... 12 1.2 Justificación del problema.................................................................................... 12 2 Objetivos ....................................................................................................................... 14 2.1 Objetivo General .................................................................................................. 14 2.2 objetivos específicos ............................................................................................ 14 3 Estado del arte ............................................................................................................... 15 4 Marco teórico ................................................................................................................ 17 4.1 VIBRACIÓNES: .................................................................................................. 17 4.2 CLASIFICACIÓN DE LAS VIBRACIONES: ................................................... 17 4.2.1 Vibración libre: ................................................................................................ 17 4.2.2 Vibración forzada: ............................................................................................ 17 4.2.3 Vibración amortiguada y no amortiguada: ....................................................... 17 4.2.4 Vibración determinística: ................................................................................. 17 4.2.5 Vibración aleatoria: .......................................................................................... 18 4.2.6 Vibración lineal y no lineal: ............................................................................. 18 4.3 RANGOS DE FRECUENCIA EN VIBRACIONES:.......................................... 18 4.4 METODOS DE ELEMENTOS FINITOS EN EL ANALISIS DE VIBRACION 19 4.4.1 Método de elementos finitos: ........................................................................... 19 4.4.2 Análisis de una viga: ........................................................................................ 19 4.4.3 Función de interpolación o de contorno: .......................................................... 20 4.4.4 Metodo del Lagrangiano: ................................................................................. 21 4.5 TIPOS DE FLUJO: .............................................................................................. 22 4.5.1 Flujo turbulento: ............................................................................................... 22 4.6 DETECTORES DE VIBRACION:...................................................................... 22 4.6.1 Vibrómetro: ...................................................................................................... 22 4.6.2 Acelerómetro: ................................................................................................... 23 4.6.3 Velómetro:........................................................................................................ 23 4.7 ANALISIS DE VIBRACIONES: ........................................................................ 23 4.7.1 Espectro de frecuencia: .................................................................................... 23 4.8 NORMATIVIDAD: ............................................................................................. 24 4.8.1 Normas aplicadas sobre este proyecto: ............................................................ 24 5 Metodología .................................................................................................................. 26 6 Cronograma de actividades ........................................................................................... 28 7 Diseño del banco de pruebas ......................................................................................... 29 7.1 BOCETO INICIAL: ............................................................................................. 29 7.2 MODELO CAD: .................................................................................................. 29 7.3 SOPORTES: ......................................................................................................... 30 7.3.1 Soporte pequeño: .............................................................................................. 30 7.3.2 Soporte grande: ................................................................................................ 30 7.4 ESTRUCTURA DE TUBERIAS:........................................................................ 31 7.5 SIMULACIÓN BANCO DE FLUIDOS: ............................................................ 31 7.5.1 Características del banco: ................................................................................. 32 7.5.2 Resultados de la simulación: ............................................................................ 32 8 Selección de la instrumentación .................................................................................... 34 8.1 Selección del acelerómetro: ................................................................................. 34 8.2 Selección de la bomba:......................................................................................... 34 8.3 Cotización del proyecto: ...................................................................................... 35 9 Interacción fluido estructura (FSI) ................................................................................ 36 9.1 INTERACCIÓN FLUIDO ESTRUCTURA (FSI) .............................................. 36 10 Procesamiento de señales y diseño de interfaces .......................................................... 39 10.1 Recolección y muestreo de la señal: .................................................................... 39 10.2 Diseño de experimentos para prueba de las interfaces diseñadas: ....................... 40 10.2.1 Programación interfaz en Matlab: ................................................................ 41 11 Simulación de elementos finitos ................................................................................... 43 11.1 Simulación MODAL ............................................................................................ 43 11.2 Simulación CFD ................................................................................................... 44 11.3 Mapeo de los resultados CFD .............................................................................. 47 11.4 Simulación Aero-Acústica ................................................................................... 47 12 Ensamblaje y construcción del banco de pruebas ......................................................... 49 13 PROTOCOLO DE pruebas realizadas Y Resultados.................................................... 52 13.1 PROTOCOLO DE PRUEBAS: ........................................................................... 52 13.1.1 Prueba hidrostática: ...................................................................................... 52 13.1.2 Verificación de funcionalidad de manómetros: ........................................... 52 13.1.3 Presión de trabajo: ........................................................................................ 52 13.1.4 Verificación de caudal: ................................................................................ 52 13.1.5 Verificación de funcionamiento del sensor Dytran 3056D2: ....................... 52 13.1.6 Prueba de rpm bombas de agua:................................................................... 53 13.1.7 Prueba de funcionamiento de algoritmo Matlab: ......................................... 53 13.1.8 Protocolo de pruebas de vibraciones inducidas por flujo: ........................... 53 13.2 RESULTADOS .................................................................................................... 54 13.3 Análisis de resultados y análisis estadístico ......................................................... 55 14 CONCLUSIONES ........................................................................................................ 58 15 Recomendaciones y trabajo futuro ................................................................................ 59 16 BIBLIOGRAFIA .......................................................................................................... 60 17 Anexos .......................................................................................................................... 63 A. PLANOS DEL BANCO DE PRUEBAS: ................................................................ 63 B. CODIGO MATLAB ................................................................................................ 68 C. Gráficos de desviación estándar y tablas de error .................................................... 71PregradoThe design of the test bench was carried out to study the vibrations induced by flow, developing a CAD model and a simulation of the piping system transporting the water, to determine if a turbulent flow would be obtained given the geometric parameters designed. Likewise, the selection of the instrumentation and sensors is carried out, taking into account the proposed design parameters. An interface was designed and programmed in MATLAB to collect the information captured by the acceleration sensor and process it through the FFT (Fast Fourier Transform) algorithm to determine the peak frequency of vibration in the A finite element simulation was carried out to determine the natural frequencies of a pipe without water, filled with water and finally under the influence of a turbulent flow in order to study the changes in said frequency and thus compare them with the obtained frequency. experimentally and theoretically, said theoretical frequency is obtained using the model proposed in the literature.Finally, the construction is carried out, the test bench is set up and the corresponding tests are subsequently carried out, to finally process them and analyze the results, obtaining the natural frequencies of the pipe before different flow rates and likewise the amplitudes of these v ibrations in order to evaluate these amplitudes in accordance with the German international standard VDI 3842.Modalidad Presencialapplication/pdfspahttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.5/co/Abierto (Texto Completo)Atribución-NoComercial-SinDerivadas 2.5 Colombiahttp://purl.org/coar/access_right/c_abf2Estudio experimental y computacional de las vibraciones inducidas por flujo interno en tuberías soportadasExperimental and computational study of vibrations induced by internal flow in supported pipesIngeniero MecatrónicoUniversidad Autónoma de Bucaramanga UNABFacultad IngenieríaPregrado Ingeniería Mecatrónicainfo:eu-repo/semantics/bachelorThesisTrabajo de Gradohttp://purl.org/coar/resource_type/c_7a1finfo:eu-repo/semantics/acceptedVersionhttp://purl.org/redcol/resource_type/TPMechatronicTesting benchVibrationsCAD modelSupported pipesPipe networksStructural engineeringFluid mechanicsMaterials testingMecatrónicaRedes de tuberíasIngeniería de esctructurasMecánica de fluídosEnsayo de materialesBanco de pruebasVibracionesModelo CADTuberías soportadas1. CHANG, X., WU, Q., YE, F., & SHEN, P. (2018)2. EXPERIMENTAL STUDY OF HYDRAULIC PIPELINE VIBRATION UNDER PRESSURE TRANSMISSION. PROCEEDINGS OF THE 37TH CHINESE CONTROL CONFERENCE, 1(1). HTTPS://IEEEXPLORE.IEEE.ORG/DOCUMENT/84830603. WACHEL, J. C., MORTON, J. S., & ATKINS, K. E. (1990). PIPING VIBRATION ANALYSIS. HTTPS://DOI.ORG/10.21423/R16M234. ROBLES NIEVES, V. (2004, DICIEMBRE). STATIC AND DYNAMIC ANALYSIS OF A PIPING. AVAIBLE :HTTPS://SCHOLAR.UPRM.EDU/HANDLE/20.500.11801/7465. FRANCO, R., BLAS, M. A., RODRÍGUEZ, L., & ORTIZ-VIDAL, L. E. (2020). PROCEDIMIENTO PARA EL ANÁLISIS DE VIBRACIÓN INDUCIDA POR FLUJO TURBULENTO EN TUBERÍAS USANDO SIMULACIÓN NUMÉRICA. INFORMACIÓN TECNOLÓGICA, 31(3), 265– HTTPS://WWW.RESEARCHGATE.NET/PUBLICATION/342298171_PROCEDIMIENTO_PARA_EL _ANALISIS_DE_VIBRACION_INDUCIDA_POR_FLUJO_TU RBULENTO_EN_TUBERIAS_USANDO_SIMULACION_NUMERICA6. EAFIT, & HENAO ÁNGEL, D. (2013). 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