KFUPM ePrints

Dynamic Modeling of Rotating Flexible Pipe Conveying Fluid and Subjected to External Axial Flow

Ghaith, Fadi (2009) Dynamic Modeling of Rotating Flexible Pipe Conveying Fluid and Subjected to External Axial Flow. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img]PDF (PhD Dissertation)
Restricted to Registered users only until 31 December 2011.
Available under License Creative Commons Attribution Non-commercial No Derivatives.

2940Kb

Arabic Abstract

لقد تم في هذه الدراسة اشتقاق معادلات الحركة اللاخطية التي تصف الديناميكا المتعلقة بأنبوب مرن (في كلا وضعي الثبات و الدوران) و يتعرض لتدفق سائل خارجه باستعمال نظام لانجرانج وطريقة التغير الزمني في الحركة المفترضة معا. إن النمذجة الحالية تأخذ بعين الاعتبار جميع أنواع الاقتران ما بين قوى الجمود و المرونة في كل من الاتجاه الأفقي و العمودي و الدوراني للإهتزازات الناتجة. كما أن النمذجة الحالية تصلح لكلتا الحالتين القابلة و الغير قابلة للإستطالة وفق محددات مختلفة للحركة.لقد تم تجزئة المعادلات اللاخطية باستعمال أشكال الاهتزازات المتعلقة بالنظام الخطي. لقد تم توظيف الأنظمة المشتقة لدراسة ديناميكية بعض التطبيقات الهندسية المنتقاة و التي تظهر جليا بالإهتزازات في الأنبوب الداخلي للمبادل الحراري ذو الأنبوب المزدوج و الاهتزازات في أنبوب حفر البترول الدوار. بالاعتماد على المحاكاة العددية للأنبوب المرن- القابل للاستطالة- الذي يحمل سائلا بداخله و يتعرض لسائل آخر خارجه و الذي بالإمكان أن يمثل الاهتزازات في المبادل الحراري ذو الأنبوب المزدوج، فقد وجد أن وجود كلا السائلين الخارجي و الداخلي يلعب دورا مهما في تقليل قيمة الترددات الطبيعية الأفقية و العمودية.كما وجد انه عندما تقل المسافة المحصورة ما بين الأنبوبين، يكون هناك هبوط ملحوظ في التردد الطبيعي العمودي. لقد تم استطراد النظام الثلاثي الأبعاد المطور لمحاكاة الاهتزازات المتعلقة بالتدفق لأنبوب الحفر الدوار الغير قابل للاستطالة. في حين أظهرت المعادلات الحركية أن أكثر العناصر المؤثرة في الحركة العمودية في كلا المستويين تكون مرتبطة باللاخطية ذات الدرجة الثالثة. بإجراء المحاكاة الرقمية لهذا النظام و باستعمال قيم واقعية تصف النظام الحالي، وجد أن وجود كلا السائلين الداخلي و الخارجي يلعب دورا مهما في تقليل التردد الطبيعي للاهتزازات العمودية و الدورانية. لقد أظهرت هذه الدراسة أن إتزان النظام يعتمد بشكل كبير على سرعة تدفق السائل الخارجي و قيمة المسافة المحصورة. كما وجد أن طريقة التحليل ثلاثي الأبعاد ضرورية للتنبؤ بسلوك الاهتزازات في الأنبوب المرن الدوار الذي يحمل سائلا بداخله و بتعرض لتدفق سائل خارجه خاصة عند السرعات الدورانية العالية .ان النظام ثلاثي الابعاد يعد قادرا على التقاط الطبيعة الغير متطابقة للقوى الدورانية في كلا المستويين. لقد تم اشتقاق نظام رياضي آخر يصف الاهتزازات المتعلقة بالتدفق في أنبوب الحفر الدوار القابل للاستطالة المثبت كليا من إحدى طرفيه في حين ان الطرف الاخر مثبت بواسطة دعامة منزلقة. و لقد أظهرت هذه الدراسة أن التردد الطبيعي للاهتزازات العمودية في هذا النظام أعلى من النظام المعلق، كما أن هذه المقارنة أظهرت أهمية اختيار المقيدات المناسبة للحركة للحصول على نظام دقيق و معتمد لأنبوب الحفر الدوار.

English Abstract

In the present work, the nonlinear equations of motion which describe the dynamics of both rotating and non rotating slender flexible pipe conveying fluid and subjected to external axial flow, are derived using the Lagrangian approach together with the variational technique. The formulation takes into account all types of inertia and elastic coupling between axial, lateral and torsional deflections. This formulation is also applicable to both extensible and inextensible conditions associated with different end constraints. The obtained nonlinear equations of motion are discretized via unimodal Galerkin’s method by utilizing mode shapes of the linear model. The derived models were employed to investigate the dynamics of selected engineering applications, as manifested by the vibrations of a tube in a double pipe heat exchanger, and the flow induced vibrations of rotating drillstring. Based on the numerical simulation results of an extensible non rotating flexible pipe conveying fluid and subjected to external axial flow, which may represent the vibrations of a double pipe heat exchanger, it was found that both internal and external flows play a dominant role in softening the lateral and axial natural frequencies of the system. Also, it was found that when the annular spacing decreased, a noticeable drop of the lateral natural frequency occurred. The developed three-dimensional mathematical model was extended to simulate the flow induced vibration of rotating drillstring under the inextensibility condition. The governing equations of motion showed that the most dominant nonlinear terms of the lateral directions in X-Y and X-Z planes are associated with a cubic nonlinearity. Upon performing the numerical simulations for selected realistic parameters, it was found that both external and internal flows play dominant role in softening the lateral and torsional natural frequencies of the system. This study has demonstrated that the stability of the drill pipe is highly dependant on the external flow velocity and annular spacing. Moreover, the three-dimensional analysis was found necessary for predicting the accurate vibrational behavior of a rotating flexible pipe conveying fluid and subjected to external axial flow, particularly at high rotational speeds. The three-dimensional model is capable of capturing the non-symmetrical nature of the gyroscopic forces in X-Y and X-Z planes. Another nonlinear mathematical model is derived for the flow induced vibration of a rotating drillstring, by considering fixed-simply supported-sliding end conditions and ignoring the inextensibility condition. This study showed that the lateral natural frequencies of this model are higher than the cantilevered configuration. This comparison reveals the importance of selecting appropriate end conditions for achieving reliable and accurate model of the drill pipe system.



Item Type:Thesis (PhD)
Date:15 December 2009
Date Type:Completion
Subjects:Engineering
Mechanical
Divisions:College Of Engineering Sciences > Mechanical Engineering Dept
Creators:Ghaith, Fadi
Email:fod1979@yahoo.com
Committee Advisor:Khulief, Yehia
Committee Members:Al-Sulaiman, Faleh and Hawwa, Muhammad and Al-Ghadib, Ali and Ben-Mansour, Rached
ID Code:136206
Deposited By:FADI ABDELHADI GHAITH
Deposited On:01 Jun 2010 08:08
Last Modified:30 Apr 2011 17:05

Repository Staff Only: item control page