Viscoelasticity of pipes and the effect of unsteady friction during water hammer using the Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) method

dc.contributor.advisor-co1Vasco, Joel Roberto Guimarães
dc.contributor.advisor-co1Latteshttp://lattes.cnpq.br/2787228916381075
dc.contributor.advisor1Nascimento, Andreia Aoyagui
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/4938165765006772
dc.contributor.referee1Nascimento, Andreia Aoyagui
dc.contributor.referee2Silveira Neto, Aristeu da
dc.contributor.referee3Vasco, Joel Roberto Guimarães
dc.contributor.referee4Soares, Alexandre Kepler
dc.creatorPamplona, Almério José Venâncio Pains Soares
dc.creator.Latteshttp://lattes.cnpq.br/2125358718569725
dc.date.accessioned2025-04-28T21:20:06Z
dc.date.available2025-04-28T21:20:06Z
dc.date.issued2025-03-28
dc.description.abstractA water hammer is a rapid pressure surge in pipelines caused by sudden flow velocity changes, such as when valves close. These surges can result in serious failures in fluid transport systems if not controlled. Traditional methods, like the Method of Characteristics (MOC), help predict water hammer but face challenges, including Courant number constraints and mass and momentum balance issues in complex geometries. The Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) method offers a promising alternative, enabling mesh-free modeling and improved flexibility for simulating these hydraulic transients. This study employs an in-house code based on the Corrected Smoothed Particle Hydrodynamics (CSPH) method that uses kernel function renormalization for boundary treatment. Unsteady friction models are included to enhance accuracy in modeling water-hammer in metal pipes. For plastic pipes, this approach is combined with a mechanical Kelvin-Voigtbased viscoelastic model. The numerical setup consists of a reservoir-tube-valve system to validate the SPH-based methods. Simulations assess the effects of unsteady friction and viscoelasticity on pressure wave propagation. Response Surface Methodology (RSM) is used to identify optimal configurations and how numerical parameters affect the simulations. Results show that CSPH effectively captures the wave pressure damping ratio but fails to estimate wave speed due to momentum loss from density reductions in renormalization. To correct this, one introduces the Compensated CSPH (CCSPH), which accurately simulates pressure wave damping ratios, wave speeds, and waveforms in elastic and viscoelastic pipes. One also validated an in-house Method of Characteristics (MOC) code for comparison with CCSPH. Both methods demonstrated similar accuracy and computational efficiency.eng
dc.description.resumoUm golpe de aríete é um rápido aumento de pressão em tubulações causado por mudanças repentinas na velocidade do escoamento, como fechamento de válvulas. Esses surtos podem resultar em falhas graves em sistemas de transporte de fluidos caso não controlados. Métodos tradicionais, como o Método das Características (MOC), ajudam a prever o golpe de aríete, mas enfrentam desafios, incluindo restrições quanto ao número de Courant e problemas de balanço de massa e momentum em geometrias complexas. O método Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) oferece uma alternativa promissora, permitindo modelagem sem malha e flexibilidade para simular esses transientes hidráulicos. Este estudo emprega um código in-house baseado no método Corrected Smoothed Particle Hydrodynamics (CSPH) que usa renormalização da função kernel para tratamento de fronteiras. Modelos de atrito transiente são incluídos para aumentar a precisão na modelagem do golpe de aríete em tubos metálicos. Para tubos plásticos, essa abordagem é combinada com um modelo viscoelástico baseado num modelo mecânico de Kelvin-Voigt. A configuração numérica consiste em um sistema reservatório-tubo-válvula para validar os métodos baseados em SPH. As simulações avaliam os efeitos do atrito transiente e da viscoelasticidade na propagação de ondas de pressão. Utiliza-se a Metodologia de Superfície de Resposta (RSM) para identificar configurações ótimas e como parâmetros numéricos afetam as simulações. Os resultados mostram que o CSPH captura efetivamente a taxa de amortecimento de pressão da onda, mas falha em estimar a velocidade da onda devido à perda de momentum dada a redução da massa específica causada pela renormalização. Para corrigir isso, introduz-se o CSPH Compensado (CCSPH), que simula com precisão as taxas de amortecimento de ondas de pressão, celeridade da onda e formas da onda, tanto em tubos elásticos quanto viscoelásticos. Também validou-se um código interno do Método de Características (MOC) para comparação com o CCSPH. Ambos os métodos demonstraram precisão e eficiência computacional semelhantes.
dc.description.sponsorshipOutro
dc.identifier.citationPAMPLONA, A. J. V. P. S. Viscoelasticity of pipes and the effect of unsteady friction during water hammer using the Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) method. 2025. 143 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Escola de Engenharia Elétrica, Mecânica e de Computação, Universidade Federal de Goiás, Goiânia, 2025.
dc.identifier.urihttp://repositorio.bc.ufg.br/tede/handle/tede/14191
dc.languageeng
dc.publisherUniversidade Federal de Goiáspor
dc.publisher.countryBrasilpor
dc.publisher.departmentEscola de Engenharia Elétrica, Mecânica e de Computação - EMC (RMG)
dc.publisher.initialsUFGpor
dc.publisher.programPrograma de Pós-graduação em Engenharia Mecânica
dc.rightsAcesso Aberto
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
dc.subjectTransitório hidráulicopor
dc.subjectAtrito transitóriopor
dc.subjectHidrodinâmica de partículas suavizadapor
dc.subjectViscoelasticidadepor
dc.subjectWater hammereng
dc.subjectTransient frictioneng
dc.subjectViscoelasticityeng
dc.subjectSmoothed particle hydrodynamicseng
dc.subject.cnpqENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA
dc.titleViscoelasticity of pipes and the effect of unsteady friction during water hammer using the Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) method
dc.title.alternativeViscoelasticidade de tubulações e o efeito do atrito não estacionário durante o golpe de aríete utilizando o método de Hidrodinâmica de Partículas Suavizadas – SPHpor
dc.typeDissertação

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