Development of a Time Delay Formulation for Fluidelastic Instability Model

Les faisceaux de tubes dans les composants industriels, tels que les échangeurs de chaleur et les générateurs de vapeur sont susceptibles d'être endommagés en raison de l'instabilité fluides-élastiques. Cette étude porte sur la modélisation de l'instabilité fluides-élastiques dans des faisceaux de tubes soumis à un écoulement transverse. Il y a consensus sur le fait d'introduire un déphasage dans les modèles d'instabilité fluides-élastiques. Bien que ce déphasage soit l'un des paramètres clés dans les modèles d'instabilité fluides-élastiques, le phénomène physique qui en est responsable est encore mal compris, et il est expliqué de manière variée. Dans cette étude, une nouvelle formulation du déphasage pour des modèles quasi-stationnaire est dérivée dans le domaine fréquentiel sous la forme d'une fonction équivalente de Theodorsen. Les forces fluides instationnaires et quasi-statiques ont été mesurées pour développer l'expression du déphasage. L'effet du nombre de Reynolds sur les coefficients de force statique a également été étudié. Nous avons observé que la fonction de déphasage dépend également du nombre de Reynolds, ce qui implique que l'instabilité fluides-élastiques dépend aussi du nombre de Reynolds. Des comparaisons avec les fonctions de déphasage proposées dans les modèles quasi-stationnaire et quasi-instationnaires ont été faites. Un dépassement initial de la force de portance a été observé avec le modèle actuel. En utilisant la nouvelle expression du déphasage, l'effet du nombre de Reynolds sur l'instabilité fluides-élastiques était bien pris en considération. Une étude de stabilité a été réalisée afin de prédire la vitesse critique pour une variété de paramètres d'amortissement massique. La vitesse critique prédite pour l'instabilité fluides-élastiques a été comparée à d'autres modèles théoriques ainsi qu'à des données expérimentales de la littérature. Les résultats montrent une amélioration significative par rapport au modèle quasi-statique de déphasage constant et au modèle quasi-instationnaire. Cela confirme également la validité du modèle d'instabilité fluides-élastiques proposé et permet d'accorder de la fiabilité à la méthode.

Abstract

Tube arrays in industrial components such as heat exchangers and steam generators are susceptible to damage due to fluidelastic instability (FEI). This study focuses on the modelling of fluidelastic instability in tube arrays subjected to cross-flow. There is agreement on the idea of introducing a time delay in FEI models. Although it is one of the key parameters for FEI models, the phenomenon behind this time delay is still subject to many possible explanations, and the underlying physics is still not well understood. In the present work a new time delay formulation for the class of the quasi-steady FEI models is derived in the frequency domain in the form of an Equivalent Theodorsen Function. Unsteady and quasi-static fluid forces were measured to develop the time delay formulation. The effect of Reynolds number on the static force coefficients was also investigated. The time delay function was found to be also dependent on the Reynolds number which implies that the fluidelastic instability is also Reynolds number dependent. Comparison to other time delay functions proposed in the quasi-steady and quasi-unsteady models is made. An initial overshoot in the lift force was observed for the present model. Using the new time delay formulation, the effect of Reynolds number on FEI is conveniently taken into consideration. A stability analysis was carried out to predict the critical velocity for a range of mass-damping parameters. The predicted critical velocity for FEI was compared with other theoretical models and also to experiment data from the literature. The results show a significant improvement over the constant time delay quasi-steady model and the quasi-unsteady model. The results also confirm the validity of the proposed FEI model and give some confidence in the reliability of the method.