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Dynamic Modeling of Tube-Support Interaction in Heat Exchangers

Reza Azizian

PhD thesis (2012)

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Cite this document: Azizian, R. (2012). Dynamic Modeling of Tube-Support Interaction in Heat Exchangers (PhD thesis, École Polytechnique de Montréal). Retrieved from https://publications.polymtl.ca/1027/
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Abstract

"RÉSUMÉ:" 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.----------"ABSTRACT:" Flow-induced forces in heat exchangers can cause excessive tube vibration and interaction with their supports. Long term interaction may develop fretting-wear and consequently lead to tube failures. An accurate prediction of the tube-support interaction behavior is important to quantify tube fretting-wear. Therefore, a detailed study of the related friction and impact forces is required for formulating a precise wear model. This study aimed to develop a friction model for accurate representations of various states of the friction process, including elastic, plastic and partial slipping states. In addition, the tube-support impact model is verified both numerically and experimentally. A hybrid spring-damper rate dependent friction model was developed to precisely simulate the friction process from zero velocity to the gross slip state. This was achieved by considering various physical phenomena during the friction process including the Stribeck effect, varying break-away force, bristle elastic, plastic and partial-slipping behaviors. The slipping time in the velocity-limited friction model was compared to the LuGre friction model. The inability of the velocity limited friction model to detect the sticking region was explained by the dependency of a limiting velocity criterion on the varying break-away force and the Stribeck effect. This confirmed the importance of having an adaptive limiting velocity for the velocity limited friction model. In addition, the stress distribution within the contact region was studied in detail to demarcate different regions within a contact area during the friction process. This analysis attributed a physical meaning to each component of the new hybrid friction model. The ability of the hybrid model to accurately reproduce stick-slip behavior was examined using the Ozaki and Hashiguchi friction model and the Baumberger et al. experimental tests. The result showed better estimation of the stick-slip behavior, both qualitatively and quantitatively, using the new hybrid friction model. In addition, the ability of the hybrid model, to reproduce pre-sliding displacements, was also examined using the Lim and Chen friction model and the experimental stability phase diagram, developed by Baumberger et al. The hybrid friction model reproduced the experimental phase diagram with qualitatively good agreement contrary to the Lim and Chen friction model.

Open Access document in PolyPublie
Department: Département de génie mécanique
Dissertation/thesis director: Njuki William Mureithi and Michel Pettigrew
Date Deposited: 27 Mar 2013 11:05
Last Modified: 27 Jun 2019 16:49
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/1027/

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