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-flowin tube bundles of steam generators. The steam generators in CANDU type nuclear power plantsfor e.g., designed in Canada by AECL and exploited worldwide, have thousands of tubes assembledin bundles that ensure the heat exchange between the internal circuit of heated heavy water comingfrom the reactor core and the external circuit of light water evaporated and directed toward theturbines.As a result of their immersion in the two-phase flow, the tubes in the bundle are subjected toflow induced vibration, mostly in the upper U-bend region. The fluid excitation mechanisms havebeen identified as: turbulent buffeting, vortex shedding, acoustic resonance, quasi-periodic forcesand fluidelastic forces.The fluidelastic forces are different in nature from the other types of excitation mechanismsbecause they are motion dependent. At sufficiently high velocities, and depending on the tubefrequency, the tube bundle configuration and the support effectiveness, the forces may increase withthe 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 frettingwear.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 correctfluidelastic model is needed to obtain accurate results. The currently used model, i.e. the Connorsmodel is known to be very conservative. Besides, it gives no physical insight into the issue offluidelastic instability. Several other models have been developed by researchers but all of thesemodels were developed for single phase flow whereas tube bundles in steam generators operatemostly in two-phase flow.The main objective of this research project is to extend the theoretical models for fluidelasticinstability to two-phase flow, validate the models and develop a computer program for simulatingflow induced vibrations in tube bundles. The quasi-steady model has been investigated in scope ofthis research project. The time delay between the structure motion and the fluid forces generatedthereby has been extensively studied in two-phase flow.

Résumé

Cette étude porte sur la modélisation de l'instabilité fluidélastique induite par les écoulementsdiphasiques dans les faisceaux de tubes. La problématique se pose au sein des faisceaux de tubesdes générateurs de vapeur des centrales nucléaires qui comportent des milliers de tubes assurantl'échange d'énergie entre le réacteur et les turbines qui produisent l'électricité. Ces tubes sontimmergés 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'écoulementdiphasique. 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 forcesquasi-périodiques et enfin les forces fluidélastiques. Les forces fluidélastiques sont différentes parnature des autres mécanismes d'excitation car elles sont couplées au mouvement de la structure. Deplus, lorsque la vitesse de l'écoulement devient suffisamment grande, et dépendant de la fréquencedu tube, de la configuration du faisceau, et de l'effectivité des supports, les forces fluidélastiquespeuvent croître avec le mouvement de la structure, provoquant ainsi une instabilité appelée instabilitéfluidélastique. L'amplitude des vibrations augmente alors rapidement, pouvant ainsi conduire àl'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 puissancesd'usure. Ce calcul est effectué en simulant la réponse du tube aux forces d'excitation et en extrayantles forces de contact et les déplacements au niveau des supports. Comme les forces fluidélastiquesconstituent le mécanisme le plus sévère, leur modélisation physique est nécessaire. Le modèle leplus utilisé actuellement est le modèle quasi-statique de Connors mais ce modèle est connu poursous-estimer la vitesse critique d'instabilité en plus de présenter peu de sens physique. Plusieursautres modèles théoriques existent mais tous ont été développés pour des écoulements monophasiquesalors que les faisceaux de tube des générateurs de vapeurs opèrent au sein d'écoulementsdiphasiques.L'objectif principal de ce projet de recherche est donc d'étendre les modèles d'études de l'instabilitéfluidélastique aux écoulements diphasiques, de les valider, puis de développer un code desimulation 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.