Efeito da geometria helicoidal em dispositivo atenuador de flutuações de vazão/pressão para escoamentos pulsados

Abstract

As bombas de deslocamento positivo são frequentemente utilizadas para bombear fluidos com alta viscosidade. Entretanto, essas bombas podem gerar vibrações transmitidas pelo sistema de tubulação. Uma solução bastante usual para minimizar essas oscilações é o uso de atenuadores de vazão/pressão, também conhecido como atenua dores de fluxo. Os atenuadores de fluxo em linha são amplamente empregados devido às suas características geométricas, que não dependem de gases e sofrem menos interferências de fatores termodinâmicos, o que os torna mais eficientes em uma ampla gama de condições operacionais. O presente trabalho tem em vista investigar geometrias mais eficientes de atenuadores, em particular a configuração tubular helicoidal, visando minimizar as oscilações de pressão e vazão causadas pelo uso de bombas volumétricas. Para avaliar a influência dos parâmetros, foram feitas simulações numéricas com o pacote Ansys 2023R1 e a abordagem de Interação Fluido-Estrutura (FSI), utilizando o Método dos Elementos Finitos (MEF) para resolução das equações governantes da estrutura sólida e o Método de Volumes Finitos (MVF) para resolução das equações diferenciais governantes da fluidodinâmica. A pesquisa teve como objetivo a análise de duas geometrias distintas, portanto, os atenuadores foram considerados material hiperelástico com modelo Mooney-rivlin e o fluido a água em regime laminar. Os resultados indicaram que a configuração helicoidal apresentou uma atenuação para a vazão de 6,7% e uma redução dos picos de pressão de 13,9%, enquanto a geometria de referência apresentou uma atenuação para a vazão de 11,3% e uma redução da pressão de 7,3%. A análise das diferenças entre as geometrias revelou que a configuração helicoidal apresentou uma maior eficiência para a dissipação de energia, devido à sua estrutura helicoidal, o que contribuiu para uma diminuição dos picos de pressão. Embora as bombas de deslocamento positivo sejam uma tecnologia estabelecida, a pesquisa em novas técnicas de atenuação tem o potencial de aprimorar ainda mais seu desempenho e eficiência. O estudo dessas técnicas pode ajudar a superar desafios e aperfeiçoar o projeto de sistemas de bombeamento, resultando em menor vibração e maior vida útil dos componentes do sistema.

Positive displacement pumps are often used to pump fluids with high viscosity. However, these pumps can generate vibrations transmitted through the piping system. A very common solution to minimize these oscillations is the use of flow/pressure attenuators, also known as flow attenuators. In-line flow attenuators are widely used due to their geometric characteristics, which do not depend on gases and suffer less interference from thermodynamic factors, which makes them more efficient in a wide range of operating conditions. The present work aims to investigate more efficient attenuator geometries, in particular the helical tubular configuration, aiming to minimize the pressure and flow oscillations caused by the use of volumetric pumps. To evaluate the influence of the parameters, numerical simulations were performed with the Ansys 2023R1 package and the Fluid-Structure Interaction (FSI) approach, using the Finite Element Method (FEM) to solve the governing equations of the solid structure and the Volume Method Finites (MVF) for solving the governing differential equations of fluid dynamics. The research aimed to analyze two different geometries, therefore, the attenuators were considered hyperelastic material with Mooney-rivlin model and the fluid water in laminar regime. The results indicated that the helical configuration presented an attenuation for the flow of 6.7% and a reduction of peak pressures of 13.9%, while the reference geometry presented an attenuation for the flow of 11.3% and a pressure reduction of 7.3%. The analysis of the differences between the geometries revealed that the helical configuration presented a greater efficiency for energy dissipation, due to its helical structure, which contributed to a decrease in pressure peaks. While positive displacement pumps are an established technology, research into new mitigation techniques has the potential to further improve their performance and efficiency. The study of these techniques can help overcome challenges and improve the design of pumping systems, resulting in lower vibration and longer life of system components