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

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.