Dynamic Modeling of Tube-Support Interaction in Heat Exchangers

Les forces induites par écoulement dans les échangeurs de chaleur peuvent provoquer des vibrations excessives et des interactions avec les supports. Avec le temps, ces interactions peuvent entraîner de l'usure par frottement et éventuellement mener au bris des tubes. La prédiction précise de l'interaction tube-support est importante pour quantifier l'usure par frottement. Ainsi, l'étude détaillée du frottement et des forces d'impact à l'origine de ces effets est nécessaire à l'établissement d'un modèle d'usure précis. Cette étude porte sur le développement d'un modèle de frottement qui permet de reproduire fidèlement les différents états du phénomène de frottement, incluant les effets d'élasticité, de plasticité et de frottement partiel. Le modèle d'impact tube-support résultant est vérifié numériquement et expérimentalement. Un modèle de frottement fonction du taux d'amortissement d'un ressort hybride a été développé pour simuler précisément un phénomène de frottement d'une vitesse nulle à une vitesse de glissement importante. Cela a été obtenu en considérant différents phénomènes pendant le phénomène de friction incluant l'effet Stribeck, les forces variables de rupture, l'élasticité des micro-protubérances de paroi ainsi que les comportements de glissement plastique et partiel. Le temps de glissement dans le modèle de friction à limitation de vitesse a été comparé à celui obtenu par le modèle de friction de Lugre. L'incapacité du modèle de frottement à limitation de vitesse à détecter la zone d'adhérence a été expliquée par la dépendance du critère de limitation de la vitesse sur la force variable de rupture et l'effet Stribeck. Ceci a confirmé l'importance d'avoir une limitation de vitesse adaptative pour le modèle de frottement à limitation de vitesse. De plus, la distribution des contraintes à l'intérieur de la zone de contact a été étudiée en détails pour délimiter les différentes régions dans une zone de contact lors du frottement. Cette analyse a permis d'associer une signification physique à chaque composante de ce nouveau modèle de frottement hybride. La capacité du modèle à reproduire précisément le comportement adhérence-glissement a été évaluée à l'aide du modèle de frottement d'Ozaki et Hashigushi ainsi qu'avec les tests expérimentaux de Baumberger et al. Les résultats montrent une meilleure estimation du comportement adhérence-glissement, qualitativement et quantitativement, en utilisant le nouveau modèle hybride.