Stability of thin and thick flexible pipes subjected to axial flow

Have you ever experienced oscillatory motions of the free end your hose while watering your garden? This ordinary phenomenon of a pipe conveying fluid has asserted itself as a paradigm since it is described by quite simple equations and its study has various applications in engineering systems such...

Full description

Bibliographic Details
Main Author: Jamin, Stéphane
Other Authors: Marco Amabili (Internal/Cosupervisor2)
Format: Others
Language:en
Published: McGill University 2011
Subjects:
Online Access:http://digitool.Library.McGill.CA:80/R/?func=dbin-jump-full&object_id=97221
Description
Summary:Have you ever experienced oscillatory motions of the free end your hose while watering your garden? This ordinary phenomenon of a pipe conveying fluid has asserted itself as a paradigm since it is described by quite simple equations and its study has various applications in engineering systems such as heat exchangers, blood circulatory systems as well as mining operations. The scope of the present work is the study of the dynamics of two different kinds of cylindrical pipes: (i) a cantilevered thin-walled pipe, i.e. a cylindrical shell, aspirating air and (ii) a thick-walled pipe subjected to internal, external, or simultaneous internal and external axial flows. This was accomplished for the cantilevered shell by deriving a linear analytical model through a variational principle while taking into account modified boundary conditions, and then by comparing theoretical and experimental results. For the thick wall pipe, the study was mainly experimental. A great part of the work was to design and build an entirely new apparatus allowing the investigation of the dynamics of the pipe in a lot of different configurations. The critical flow velocity and the corresponding frequency of oscillation as well as the pipe behaviour at higher flow velocities are described. === N'avez-vous jamais ressenti un mouvement d'oscillations de l'extrémité libre de votre tuyau pendant que vous arrosiez votre jardin? Ce phénomène, banal pour un tuyau véhiculant un fluide, s'est imposé comme un problème fondamental puisqu'il est gouverné pas des équations relativement simples et que son étude a des applications dans des systèmes aussi variés que les échangeurs de chaleur, les systèmes de circulation sanguine et les opérations minières. L'objectif de ce travail de recherche est l'étude de la dynamique de deux différents types de tuyaux cylindriques: (i) un tuyau encastré-libre à paroi mince, i.e. une coque cylindrique, aspirant de l'air et (ii) un tuyau à paroi large soumis à un écoulement axial qui peut être interne, externe, ou les deux simultanément. Pour la coque encastrée-libre, ce fut accompli en dérivant un modèle analytique linéaire par l'intermédiaire d'un principe variationnel tout en prenant en compte des conditions aux limites modifiées, puis, en comparant les résultats théoriques et expérimentaux. Pour le tuyau à paroi large, l'étude fut principalement expérimentale. La majeure partie de ce travail fut la conception et le montage d'un appareil entièrement nouveau qui permet d'étudier le comportement du tuyau dans de multiples configurations. La vitesse d'écoulement critique, la fréquence d'oscillation correspondante ainsi que l'évolution du comportement du tuyau lorsque la vitesse d'écoulement augmente sont présentées.