Fluidelastic Excitation of a Fuel Rod Bundle Subjected to Combined Axial-Flow and Jet Cross-Flow

Résumé Les vibrations induites par le flux (FIV*) dans les centrales nucléaires sont une préoccupation constante, notamment à cause de la demande de meilleures performances et efficacités thermiques qui remet en question les caractéristiques mécaniques, de flux et d’exposition à l’irradiation des conceptions de combustible. De par leur conception, certains réacteurs à eau pressurisée (REP) intègrent des caractéristiques de sécurité telles que des trous et des fentes d’accident de perte de réfrigérant primaire (APRP) dans les chicanes périphériques du cœur entourant les assemblages combustibles. Cela permet notamment une libération de l’accumulation de pression en cas d’APRP. Pendant le fonctionnement normal, le débit à travers les trous APRP était considéré comme minimal parce que le chemin d’écoulement de configuration à flux ascendant à travers l’espace annulaire entre le carottier et la plaque de chicane a été utilisé pour minimiser la chute de pression à travers la plaque de chicane. Cependant, ces usines conçues ont connu l’usure des combustibles par frottement dans le passé et encore plus récemment près des trous APRP de plaque de chicane. L’objectif principal de ce projet de recherche est de comprendre l’effet d’écoulement axial combiné à un écoulement transversal à jet localisé sur la dynamique d’un faisceau de barres et de développer une stratégie de modélisation appropriée pour simuler cette dynamique; en particulier, lorsque le flux de jet est injecté à partir du trou APRP (c’est-à-dire un jet circulaire). Cet objectif sera atteint grâce à un programme de recherche comprenant des travaux expérimentaux et des modélisations analytiques. Dans le travail expérimental, une série de configurations d’écoulement de faisceaux de barres de plus en plus complexes seront testées. Le point de départ est une étude du comportement en stabilité d’un faisceau de barres monté élastiquement et soumis à un flux de jet pur (en l’absence d’écoulement axial). Un faisceau de barres avec des supports à 1-degrés de liberté (1-DDL) sera d’abord étudié; puis on remplace ce montage par des supports axisymétriques (c’est-à-dire à 2-DDL). Ensuite, une maquette reproduira les conditions de fonctionnement d’un assemblage combustible REP évalué fluidélastiquement en raison de l’écoulement croisé axial et à jet combiné. Un effet stabilisateur de l’écoulement axial sur l’instabilité induite par le jet sera étudié en détail dans le but de déterminer le mécanisme sous-jacent. Tout aussi important, les paramètres régissant l’instabilité fluidélastique (FEI*) des faisceaux de barres soumis à la fois à un écoulement transversal en jet pur et à un écoulement combiné seront déterminés dans le but d’étendre les modèles théoriques d’instabilité fluidélastique existants au cas de l’écoulement en jet transversal et aux écoulements axial et à jet combinés. De manière plus détaillée, les objectifs de ce travail sont : O1 caractériser expérimentalement le comportement dynamique de faisceaux de barres soumis à un écoulement transverse de jet pur, O2 mesurer les dérivées de stabilité fluidélastique et les retard de la réponse du fluide, O3 développer un modèle semi-empirique quasi-stationnaire pour FEI induites par jets transverses, O4 développer un modèle de vecteur propre généralisé pour prédire la forme modale d’un faisceau sous jets transverses, O5 atténuer les vibrations induites par les jets transverses à l’aide d’un contrôle passif de cet écoulement, et O6 caractériser expérimentalement et modéliser analytiquement la dynamique d’un faisceau de barres à une travée soumis à un jet en écoulement transverse (JITF*). Trois installations expérimentales ont été conçues et construites. Le premier dispositif expérimental vise à étudier les vibrations induites par l’écoulement transversal du jet pour un faisceau de tiges en treillis carré 6x6 qui est supporté de manière flexible a fin de simuler une partie d’assemblage combustible REP, lequel est soumis à un écoulement de jet transversal pur. Le flux du jet est déplacé transversalement dans la section d’essai pour permettre d’étudier l’effet de stabilité du décalage entre les axes du jet et du faisceau de barres (c’est-à-dire l’excentricité du jet, ξ). Une deuxième configuration de faisceau de barres a été conçue. C’est un faisceau de barres 6x6 constitué de tiges flexibles axisymétriques pour étudier les vibrations bi-axiales induites par l’écoulement du jet. Le deuxième appareil expérimental vise à mesurer les forces quasi-statiques et nonstationnaires pour le développement du modèle FEI induit par le jet. Une tige instrumentée avec un capteur de force à six axes est insérée dans un faisceau rigide 6x6 tandis que les tiges voisines sont instrumentées avec des jauges de contrainte pour mesurer les dérivées de force de couplage croisé. Dans l’appareil expérimental final, l’effet de l’écoulement axial sur le FEI induit par l’écoulement transversal du jet est considéré en concevant deux branches de la boucle de test, soit une pour l’écoulement axial et l’autre branche pour l’écoulement du jet. Un faisceau de maquettes RER à travée unique est conçu et fabriqué pour évaluer son comportement dynamique sous différentes configurations d’écoulement axial et d’écoulement croisé de jet. Les limites de stabilité mesurées sont aussi utilisées pour valider le modèle développé pour le FEI induit par JITF. Les résultats des tests de la première configuration expérimentale montrent que l’écoulement transversal du jet pur provoque une instabilité fluidélastique dans la direction transversale. La vibration et l’instabilité du faisceau de tiges dépendent fortement de l’excentricité du jet et de l’écart entre la buse et la première rangée (c’est-à-dire la distance de sécurité, H). Les vibrations transversales sont plus dominantes que celles dans le sens du jet. La vitesse critique diminue avec l’augmentation de la distance de recul du jet, puis s’inverse. Les résultats au niveau du flux montrent que l’excentricité variable du jet excitait le faisceau de tiges avec différents mécanismes. Les vibrations des tiges se sont produites avec le jet centré ainsi qu’avec le boîtier du faisceau de tiges et ont eu un phénomène de verrouillage/synchronisation. La vibration de grande amplitude observée dans le faisceau est atténuée à l’aide d’une nouvelle buse inspirée des requins. La performance de la buse inspirée du requin sur la vibration du faisceau de tiges est évaluée par rapport à un cas de référence de buse circulaire. Les résultats montrent que la vitesse d’écoulement critique du jet est retardée de 20% et on observe 80% de réduction d’amplitude par rapport à celles obtenues avec la buse circulaire. De plus, l’effet des diamètres d’écoulement de jet est étudié sur le faisceau de tiges axisymétriques pour obtenir O4. La principale découverte dans cet objectif est que la forme modale extraite est presque identique pour les buses avec un rapport d’accélération similaire (AJet/AGap). On peut notamment expliquer globalement que les zones d’écart d’écoulement à travers le faisceau changent à mesure que le diamètre de la buse augmente, mais les changements ne sont pas linéaires en raison de la correspondance géométrique entre l’emplacement de la buse et les tiges faisant face au flux du jet. Les résultats de stabilité basés sur les dérivées de stabilité mesurées et le retard temporel du second appareil expérimental montrent que le modèle développé prédit la vitesse critique avec une erreur de 15%. La principale découverte des travaux théoriques selon laquelle les forces du fluide de jet sur la tige vibrante sont fonction de la tige est dérivée pour prendre en compte la caractéristique dynamique de la tige vibrante sous écoulement transversal à jet circulaire. De plus, les expériences FEI du faisceau à travée unique montrent que la vitesse critique d’écoulement transversal du jet augmente avec l’augmentation de la vitesse d’écoulement axial, introduisant un paramètre important, soit le rapport de vitesse, VJet/VAxial pour quantifier la limite de stabilité de ce faisceau sous jet en écoulement transverse (JITF). Le FEI induit par le modèle JITF est développé et validé avec les résultats expérimentaux; les résultats du modèle montrent un accord avec la vitesse critique mesurée de l’écoulement transversal du jet avec une erreur absolue maximale de 12.5 % sur trois cas testés. Dans l’ensemble, cette étude a démontré l’importance de l’instabilité fluidélastique en provoquant des amplitudes de vibration significatives dans les faisceaux de barres à combustible soumis à un écoulement croisé axial et de jet combiné. D’après les résultats obtenus dans ce projet, le potentiel de l’écoulement axial pour stabiliser la vibration du faisceau de la maquette REP et donc élever la limite de stabilité des faisceaux soumis à un écoulement croisé à jet pur est mis en évidence. Des recherches supplémentaires sont cependant nécessaires pour valider cet effet stabilisateur de l’écoulement axial sous des paramètres d’écoulement de jet variés (DJet, H). Le travail de modélisation améliore la compréhension du mécanisme sous-jacent à l’instabilité induite par le jet. Un nouveau paramètre de la dérivée de la surface de la tige s’avère nécessaire pour simuler la caractéristique dynamique de barres à combustible vibrantes sous jet de trous APRP. Enfin, ce travail de recherche apporte des informations originales sur les limites de stabilité des faisceaux de barres soumis à jet pur et à jet en écoulement transverse (JITF). La stabilité de quoi résultats expérimentaux pourraient être utilisés pour concevoir des cœurs de réacteur efficaces et sûrs.

Abstract

Abstract Flow-induced vibration (FIV) in nuclear power plants is a constant concern as the demand for better thermal performance and efficiencies challenges the mechanical, flow, and irradiation exposure characteristics of fuel designs. By design, certain pressurized water reactors (PWRs) incorporate safety features such as loss of coolant accident (LOCA) holes and slots in the core periphery baffles surrounding the fuel assemblies, providing relief from pressure buildup in the event of a LOCA. During normal operation, the flow rate through LOCA holes was thought to be minimal because the up-flow configuration flow path through the annulus between the core barrel and the baffle plate was used to minimize the pressure drop across the baffle plate. However, plants having these design features have experienced grid-to-rod fretting (GTRF) failure at the position of baffle plate LOCA holes in the past and again more recently. The main goal of this research work is to understand the effect of a combined axial-flow and localized jet cross-flow on the dynamics of a rod bundle and to develop a proper modelling strategy to simulate these dynamics. Of particular interest is the case when the jet flow is injected from a LOCA hole (i.e. circular jet). This goal will be achieved through a research program comprising experimental work and analytical modelling. In the experimental work, a series of increasingly complex rod bundle-flow configurations are tested. The starting point is a study of the stability behaviour of a rod bundle mounted elastically under a pure jet cross-flow (in the absence of axial flow). A rod bundle with 1-DOF supports is firstly investigated and then this same bundle dimension is replaced with axisymmetric supports (i.e. 2-DOF). Thereafter, a mock-up PWR assembly is fluidelastically evaluated when subjected to combined axial-flow and jet cross-flow. The stabilizing effect of the axial flow on the jet-induced instability is studied in detail with the goal of determining the underlying excitation mechanism. Equally important, the parameters governing the fluidelastic instability (FEI) of rod bundles subjected to both pure jet cross-flow and combined flows are determined with the goal of extending existing fluidelastic instability theoretical models to the transverse jet flow case and then to the combined axial flow and jet-cross flow case. On a more detailed level, the objectives of this work are: O1 characterize experimentally the dynamical behavior of a rod bundle subjected to pure jet cross-flow, O2 perform fluidelastic stability derivatives and time delay measurements, O3 develop a semi-empirical quasi-steady model for FEI induced by jet cross-flow, O4 develop a generalized eigenvector model to predict the mode shape of the array under jet cross-flows, O5 proposed a passive mitigation method for jet cross-flow induced vibrations, and O6 characterize experimentally and model analytically the dynamics of a single-span flexible rod bundle subjected to a jet in transverse flow (JITF). Three experimental facilities have been designed and built. The first experimental apparatus is used to study jet cross-flow induced vibration for a flexibly supported 6x6 square lattice rod bundle simulating part of a PWR fuel assembly subjected to a pure transverse jet flow. The jet flow is transversely injected into the test section by a specially designed jet flow injection and displacement mechanism to allow investigation of the stability effect of offset between the centerlines of the jet and rod array (i.e. jet eccentricity, ξ). The second rod bundle setup designed consists of a 6x6 rod bundle made of axisymmetric flexible rods to study bi-axial vibrations induced by the jet flow. The second experimental apparatus is used to measure the quasi-static and unsteady forces for the jet cross-flow induced FEI model development. An instrumented rod with a six-axis force sensor is inserted in the 6x6 rigid array while the neighboring rods are instrumented with strain gauges to measure the cross coupling force derivatives. In the final experimental apparatus, the effect of axial flow on jet cross-flow induced FEI is considered by designing two branches of the test loop, one for the axial flow, and the other branch for the jet flow. A single-span PWR mock-up array is designed and fabricated to evaluate its dynamical behavior under different axial flow and jet cross-flow configurations. The measured stability boundaries are also used to validate a newly developed model for JITF-induced fluidelastic instability. The test results from the first experimental setup show that pure jet cross-flow causes strong fluidelastic instability. The rod bundle vibration and instability depend strongly on the jet eccentricity and the gap between the nozzle and the first row (i.e. jet exit stand-off distance, H). The transverse vibrations are more dominant than those in the stream-wise direction. The critical velocity decreases with increasing stand-off distance and then reverses. The stream-wise results show that varying jet eccentricity excites the rod bundle with different mechanisms. The rod vibrations for the jet centered with the rod bundle case had a lock-in/ synchronization phenomenon. A new nozzle inspired by shark gills is shown to mitigate the observed large amplitude vibration in the array. The performance of the shark-inspired nozzle on the rod array vibration is evaluated versus the reference case of a plain circular nozzle. The results show that the critical jet flow velocity is delayed by 20% and vibration amplitude reduced by 80% compared to results obtained with the circular nozzle. The effect of jet flow diameter is investigated on the axisymmetric rod array. The results achieve O4 by developing a generalized eigenvector model to predict the mode shape of the array under jet cross-flows. The main finding in this objective is that the extracted mode shape is nearly identical for nozzles with a similar acceleration ratio (AJet/AGap). This is because the flow gap areas across the bundle change as the nozzle diameter increases. The changes are nonlinear due to geometrical matching between the nozzle location with the rods facing the jet flow. The stability results based on the measured stability derivatives and time delay from the second experimental apparatus show that the newly developed model predicts the critical velocity within an error of 15%. The main finding from theoretical work is that the jet fluid forces on the vibrating rod are functions of the rod area derivative which accounts for the dynamic variation of the jet projected area on the first row rods. The FEI experiments on the single-span array show that the critical jet cross-flow velocity increases with increasing the axial flow velocity, introducing an important parameter, velocity ratio, VJet/VAxial to quantify the stability limit of this array under jet in transverse flow (JITF). A JITF induced FEI model is developed and validated with the experimental results. The model results show agreement with the measured critical jet cross-flow velocity with a maximum absolute error of 12.5% over the three tested cases. Overall, this study demonstrated the importance of fluidelastic instability in causing significant vibration amplitudes in rod bundles subjected to combined axial flow and jet cross-flow. From the results obtained in this work, the potential of axial flow to stabilize the mock-up PWR array vibration and to increase the stability limit of arrays subjected to pure jet cross-flow is demonstrated. Additional research is, however, required to validate this stabilizing effect of axial flow for a wider range of jet flow parameters (DJet, H). The modeling work improves the understanding of the mechanism underlying jet-induced instability. A new parameter of the rod area derivative is found to be necessary to correctly model the dynamics of the vibrating rod under LOCA hole jetting. Finally, this research work provides original information on the stability boundaries of arrays subjected to pure jet cross-flow and jet in transverse flow (JITF). The stability and experimental results could be used to design efficient and fluidelastically safe reactor cores.