Simulación unidimensional del comportamiento dinámico de una tubería horizontal biempotrada que transporta flujo bifásico gas – líquido usando un modelo homogéneo

Abstract

La vibración inducida por flujo bifásico (2-FIV) en tuberías es un fenómeno frecuente en industrias como la nuclear e hidrocarburos. Para el caso de flujo bifásico gaslíquido, estudios muestran una fuerte influencia de la velocidad de la mezcla y fracción de vacío sobre el comportamiento dinámico de tuberías. En el presente trabajo se estudia el fenómeno de vibración inducida en tuberías horizontales biempotradas usando un modelo homogéneo sin deslizamiento para la mezcla bifásica. Se trata de una abordaje común en el tópico de flujo multifásico, pero hasta ahora no utilizada en el estudio 2-FIV. La ecuación de movimiento del sistema es derivada a partir de la formulación clásica de Païdoussis. Se asume la teoría de Euler-Bernoulli para vigas y pequeñas deflexiones. Se obtiene una ecuación diferencial parcial (EDP) acoplada fluido-estructura de cuarto orden. Esta se adimensionaliza y discretiza mediante el método de Galerkin. Este método transforma la EDP en un sistema de ecuaciones diferenciales ordinarias (EDO) de segundo orden. Así mismo, el método state-space es utilizado para transformar las EDOs en sistemas de ecuaciones diferenciales de primer orden para calcular las frecuencias del sistema. La respuesta estructural también es calculada. Las frecuencias y respuesta son calculadas para diferentes propiedades geométricas y condiciones de flujo. Para la estabilidad fluidoelástica, los resultados muestran que la frecuencia disminuye al aumentar la velocidad de la mezcla. Si disminuye la fracción de vacío homogénea, decrece la frecuencia. Con respecto a la respuesta estructural, la máxima amplitud ocurre en el punto central de la tubería. Además, variaciones apreciables del valor de la amplitud son observadas para altas velocidades superficiales de la mezcla. Estos resultados teóricos coinciden con los resultados experimentales reportados en la literatura.