Estudo analítico, numérico e experimental de um dispositivo atenuador tubular para escoamentos intermitentes

Página do item simplificado
dc.contributor.advisor-co1Ribeiro, Daniel da Cunha
dc.contributor.advisor-co1IDhttps://orcid.org/0000-0003-3690-1938
dc.contributor.advisor-co1Latteshttp://lattes.cnpq.br/8563308324482367
dc.contributor.advisor1Siqueira, Renato do Nascimento
dc.contributor.advisor1IDhttps://orcid.org/0000-0002-8397-8180
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/9791817633014124
dc.contributor.authorSantos, Michel de Oliveira dos
dc.contributor.authorIDhttps://orcid.org/0009-0009-2302-0091
dc.contributor.authorLatteshttp://lattes.cnpq.br/1279322328091122
dc.contributor.referee1Ramos, Rogério
dc.contributor.referee1IDhttps://orcid.org/0000-0003-4493-2435
dc.contributor.referee1Latteshttp://lattes.cnpq.br/2975022316691139
dc.contributor.referee2Huebner, Rudolf
dc.contributor.referee2IDhttps://orcid.org/0000-0003-2613-304X
dc.contributor.referee2Latteshttp://lattes.cnpq.br/9514309218273598
dc.contributor.referee3Santos, Fábio Pereira dos
dc.contributor.referee3IDhttps://orcid.org
dc.contributor.referee3Lattes http://lattes.cnpq.br/3266981988847625
dc.contributor.referee4Loureiro, Bruno Venturini
dc.contributor.referee4IDhttps://orcid.org/0000-0002-9792-8168
dc.contributor.referee4Latteshttp://lattes.cnpq.br/4763904267889432
dc.date.accessioned2026-02-04T21:29:41Z
dc.date.available2026-02-04T21:29:41Z
dc.date.issued2025-10-20
dc.description.abstractAttenuators are widely employed in industrial pumping systems to reduce pressure and f low pulsations that cause excessive noise, mechanical vibrations, and process instabilities. Conventional devices use compressed gases (typically nitrogen or dry air) as the deformable medium; however, aiming at greater reliability, an attenuator may operate without gas compression provided that satisfactory attenuation is maintained within the desired frequency range. While three-dimensional numerical analyses capture behaviors beyond simplified models, lumped approaches remain useful for identifying global trends with low computational cost. In this work, a lumped-parameter model was developed to estimate the attenuation of intermittent-flow amplitude in a gas-free tubular attenuator. The device was also analyzed using a three-dimensional fluid–structure interaction (FSI) model under laminar flow. Experimentally, two tubular attenuators with different compliances were tested in laminar and turbulent regimes, at several pulsation frequencies and in two configurations: inline and side-branch. The analytical solution of the two-element Windkessel model showed that attenuation depends on the dimensionless frequency (ω′) and on the system parameter KRCL, remaining independent of the mean-flow Reynolds number (Reta). A modified Windkessel formulation was proposed to incorporate the dependence on Reta under turbulent conditions. FSI simulations performed for two values of KRCL (1.75 ×10−4 and 3.50×10−4), two values of Reta (750 and 1500), and six values of ω′ (20–160) confirmed qualitative agreement with the analytical model while revealing additional sensitivity to Reta associated with the mean internal pressure. In the turbulent experiments (17140 < Reta < 45700, 168 < ω′ < 450), attenuation increased with both parameters. The attenuator with Dd = 36 mm reached up to 85%, whereas the one with Dd =32 mm reached 75.6% but showed negative attenuation (down to–36%) under some operating conditions, attributed to its lower compliance and to geometric and constitutive nonlinearities. The relation between attenuation levels did not scale linearly with the ratio of compliances, underscoring the complexity of the phenomenon. In the laminar experiments (865 < Reta < 2212, 8.9 < ω′ < 24.5), attenuation ranged from 17.9% to 78.1%, with no negative cases, and similar results were obtained for both configurations. Across regimes, the trend of increasing attenuation with ω′ and Reta persisted, indicating that performance is governed primarily by the compliance response to pressure and flow f luctuations rather than by the flow regime itself.
dc.description.resumoAtenuadores são amplamente utilizados em sistemas industriais de bombeamento para reduzir pulsações de pressão e vazão que geram ruídos, vibrações e instabilidades de processo. Nos modelos convencionais, gases comprimidos (como nitrogênio ou ar seco) atuam como meio deformável; porém, visando maior confiabilidade, um atenuador pode ser projetado para operar sem gás comprimido, desde que mantenha desempenho adequado na faixa de frequências de interesse. Embora técnicas numéricas tridimensionais revelem comportamentos não reproduzidos por modelos simplificados, estes permanecem úteis por permitirem análises gerais com baixo custo computacional. Neste trabalho, desenvolveu se e aplicou-se um modelo de parâmetros concentrados para estimar a atenuação da amplitude de vazão de escoamentos intermitentes em um atenuador de geometria tubular sem uso de câmaras de gases comprimidos. O dispositivo também foi analisado por meio de um modelo tridimensional com interação fluido-estrutura (FSI), em regime laminar. Experimentalmente, avaliaram-se dois atenuadores tubulares, de complacências distintas, sob escoamento pulsante em regime laminar e turbulento, em duas configurações: em linha e em apêndice. A solução analítica do modelo Windkessel de dois elementos indicou que a atenuação depende da frequência adimensional (ω′) e do parâmetro adimensional KRCL, sendo independente de Reta. Uma modificação do modelo foi proposta para incluir a dependência com Reta em regime turbulento. Simulações FSI foram realizadas para dois valores de KRCL (1,75×10−4 e 3,50×10−4), dois níveis de Reta (750 e 1500) e seis valores de ω′ (20 a 160), confirmando a coerência qualitativa com o modelo analítico e revelando dependência adicional com Reta devido à pressão interna média. Nos testes turbulentos (17140 < Reta < 45700, 168 < ω′ < 450), a atenuação aumentou com ambos os parâmetros. O atenuador de Dd = 36 mm atingiu 85%, enquanto o de Dd = 32 mm alcançou 75,6%, porém com amplificação oscilatória em diversas condições (até–36%), atribuída à menor complacência e a não linearidades geométricas e constitutivas. A relação entre as atenuações não seguiu linearmente a razão entre as complacências, indicando comportamento complexo e dependente da interação entre múltiplas componentes harmônicas. Nos testes laminares (865 < Reta < 2212, 8,9 < ω′ < 24,5), a atenuação variou entre 17,9% e 78,1%, sem ocorrência de atenuação negativa, com desempenho semelhante entre os arranjos em linha e em apêndice. Em ambas as faixas de regime, a tendência de aumento da atenuação com ω′ e Reta foi mantida, indicando que o desempenho do atenuador depende principalmente da resposta da complacência às flutuações de pressão e vazão.
dc.formatText
dc.identifier.urihttp://repositorio.ufes.br/handle/10/20852
dc.languagepor
dc.language.isopt
dc.publisherUniversidade Federal do Espírito Santo
dc.publisher.countryBR
dc.publisher.courseDoutorado em Engenharia Mecânica
dc.publisher.departmentCentro Tecnológico
dc.publisher.initialsUFES
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica
dc.rightsopen access
dc.rights.urihttps://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/
dc.subjectInteração fluido-estrutura
dc.subjectDinâmica dos fluidos computacional
dc.subjectAtenuadores
dc.subjectAtenuação de vazão
dc.subjectModelo Windkessel
dc.subjectFluid structure interaction
dc.subjectComputational fluid dynamics
dc.subjectAttenuators
dc.subjectFlow rate attenuation
dc.subjectWindkessel model
dc.subject.cnpqEngenharia Mecânica
dc.titleEstudo analítico, numérico e experimental de um dispositivo atenuador tubular para escoamentos intermitentes
dc.typedoctoralThesis
Arquivos
Pacote Original
Agora exibindo 1 - 1 de 1
Imagem de Miniatura
Nome:
MicheldeOliveiradosSantos-2025-tese.pdf
Tamanho:
40.11 MB
Formato:
Adobe Portable Document Format
Descrição:
Baixar
Licença do Pacote
Agora exibindo 1 - 1 de 1
Imagem de Miniatura
Nome:
license.txt
Tamanho:
1.71 KB
Formato:
Item-specific license agreed upon to submission
Descrição:
Baixar
Coleções
Doutorado em Engenharia Mecânica