Fluidelastic Instability Study of a Rotated Square Array Subjected to Single and Two-Phase Cross-Flow

Résumé En 2012, en Californie, seulement après 11 mois de fonctionnement, un arrêt définitif non planifié des unités 2 et 3 de la centrale nucléaire de San Onofre (SONGS) a été effectué. Cet arrêt était le résultat d'une usure de tube et d'une fuite induites par des vibrations dans les générateurs de vapeur (GV) de remplacement. Les chocs inter-tubes étaient le résultat de violentes vibrations des tubes induites par l'instabilité fluidélastique (IFE) dans le plan découverte par la suite. L'instabilité fluidélastique est connue pour être une cause potentielle de défaillance des tubes dans les générateurs de vapeur. Cependant, il est historiquement connu que l'instabilité est plus susceptible de se produire dans la direction transverse à l'écoulement c'est à dire dans la direction hors du plan que dans le plan des tubes en U de GV. Des contre-mesures, appelées barres antivibratoires, sont désormais couramment installées dans les GV pour lutter contre l'instabilité hors du plan. L’instabilité dans le plan n'était pas connue pour être un problème pour les générateurs de vapeur. Avant 2012, l'instabilité dans le plan était connue pour se produire dans des expériences de laboratoire, mais n'a jamais été sérieusement considérée comme un risque pour le fonctionnement du générateur de vapeur. L'intérêt cette instabilité était plutôt limitée et peu de chercheurs se sont penchés sur ce phénomène. Cependant, l'incident de 2012 a montré que cette instabilité ne peut être ignorée et doit être prise en compte lors de la conception des GV. Dans le cadre d'une étude sur les instabilités fluidélastiques induites par les écoulements monophasiques et diphasiques, plusieurs géométries de faisceaux de tubes ont été étudiées, avec un accent particulier sur les dispositions triangulaires des faisceaux et les géométries régulières des faisceaux carrés. Ce sont les géométries les plus courantes dans l'industrie. Des études ont montré le caractère instable de ces faisceaux, où l'instabilité se retrouve principalement dans la direction transversale. En plus du problème de l'instabilité fluidélastique dans le plan lui-même, il est intéressant d’étudier le comportement de stabilité d’autre géométrie de faisceaux, plus particulièrement de celle du faisceau de géométrie ‘carré tourné’ (rotated square (RS) geometry). Il y a un regain d'intérêt pour l'étude du comportement de stabilité d'autres géométries de faisceau. Le faisceau RS est particulièrement intéressant. Cette géométrie de faisceau se retrouve dans certaines modèles de GV. Comparé à d'autres géométries, le faisceau RS a des propriétés dynamiques uniques. Par exemple, il s'avère généralement plus stable que les autres, en écoulement diphasique. En revanche, en écoulement monophasique, ce faisceau présente un comportement dynamique plus complexe. Le comportement prometteur (en termes de stabilité) du faisceau RS a motivé l'étude de la dynamique fluidélastique du faisceau dans ce travail. De plus, le besoin industriel fait partie des raisons de l’étude de comportement de ce faisceau vu qu’il est actuellement utilisé dans des générateurs de vapeur.

Cette thèse présente une étude approfondie de la dynamique du faisceau RS soumis à un écoulement transversal monophasique et diphasique. L'objectif principal de cette étude est de comprendre le comportement des vibrations induites par l'écoulement (flow-induced vibration (FIV)) du faisceau RS pour différentes de conditions d'écoulement. La première partie de cette thèse étudie la réponse FIV du faisceau lorsqu'il est soumis à un écoulement d'eau. Dans cette étude, l'effet de la variation de la flexibilité du faisceau a été étudié, en effectuant des tests avec différents nombres de tubes flexibles.