Modélisation de l'instabilité fluidélastique d'un faisceau de tubes soumis à un écoulement diphasique transverse

This study focuses on the modeling of fluidelastic instability induced by two-phase cross-flow in tube bundles of steam generators. The steam generators in CANDU type nuclear power plants for e.g., designed in Canada by AECL and exploited worldwide, have thousands of tubes assembled in bundles that ensure the heat exchange between the internal circuit of heated heavy water coming from the reactor core and the external circuit of light water evaporated and directed toward the turbines. As a result of their immersion in the two-phase flow, the tubes in the bundle are subjected to flow induced vibration, mostly in the upper U-bend region. The fluid excitation mechanisms have been identified as: turbulent buffeting, vortex shedding, acoustic resonance, quasi-periodic forces and fluidelastic forces. The fluidelastic forces are different in nature from the other types of excitation mechanisms because they are motion dependent. At sufficiently high velocities, and depending on the tube frequency, the tube bundle configuration and the support effectiveness, the forces may increase with the structure motion, resulting in an instability known as fluidelastic instability. As a consequence, the vibration magnitude increases rapidly and this can lead to tube damage by fatigue or fretting wear. In the current state of the art, the lifetime of the tubes is predicted using wear rate calculations. These computations are done by simulating the tube vibratory response to the fluid force excitations. Since the fluidelastic forces are the most severe type of flow-induced excitation, a correct fluidelastic model is needed to obtain accurate results. The currently used model, i.e. the Connors model is known to be very conservative. Besides, it gives no physical insight into the issue of fluidelastic instability. Several other models have been developed by researchers but all of these models were developed for single phase flow whereas tube bundles in steam generators operate mostly in two-phase flow. The main objective of this research project is to extend the theoretical models for fluidelastic instability to two-phase flow, validate the models and develop a computer program for simulating flow induced vibrations in tube bundles. The quasi-steady model has been investigated in scope of this research project. The time delay between the structure motion and the fluid forces generated thereby has been extensively studied in two-phase flow.

Résumé

Cette étude porte sur la modélisation de l'instabilité fluidélastique induite par les écoulements diphasiques dans les faisceaux de tubes. La problématique se pose au sein des faisceaux de tubes des générateurs de vapeur des centrales nucléaires qui comportent des milliers de tubes assurant l'échange d'énergie entre le réacteur et les turbines qui produisent l'électricité. Ces tubes sont immergés dans un écoulement diphasique constitué d'un mélange eau-vapeur. A la suite de cette immersion, les tubes sont soumis à des excitations induites par l'écoulement diphasique. Les mécanismes d'excitations ont été identifiés comme étant : les forces de turbulence, les forces résultant des tourbillons alternées, les forces liées à la résonance acoustique, les forces quasi-périodiques et enfin les forces fluidélastiques. Les forces fluidélastiques sont différentes par nature des autres mécanismes d'excitation car elles sont couplées au mouvement de la structure. De plus, lorsque la vitesse de l'écoulement devient suffisamment grande, et dépendant de la fréquence du tube, de la configuration du faisceau, et de l'effectivité des supports, les forces fluidélastiques peuvent croître avec le mouvement de la structure, provoquant ainsi une instabilité appelée instabilité fluidélastique. L'amplitude des vibrations augmente alors rapidement, pouvant ainsi conduire à l'endommagement des tubes par fatigue ou leur usure par frottement. En l'état actuel des connaissances, la durée de vie des tubes est prédite par calcul de puissances d'usure. Ce calcul est effectué en simulant la réponse du tube aux forces d'excitation et en extrayant les forces de contact et les déplacements au niveau des supports. Comme les forces fluidélastiques constituent le mécanisme le plus sévère, leur modélisation physique est nécessaire. Le modèle le plus utilisé actuellement est le modèle quasi-statique de Connors mais ce modèle est connu pour sous-estimer la vitesse critique d'instabilité en plus de présenter peu de sens physique. Plusieurs autres modèles théoriques existent mais tous ont été développés pour des écoulements monophasiques alors que les faisceaux de tube des générateurs de vapeurs opèrent au sein d'écoulements diphasiques. L'objectif principal de ce projet de recherche est donc d'étendre les modèles d'études de l'instabilité fluidélastique aux écoulements diphasiques, de les valider, puis de développer un code de simulation des vibrations induites par les écoulements diphasiques au sein des faisceaux de tubes. Le modèle quasi-stationnaire a fait l'objet d'une investigation étendue au cours de ce projet.