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.

Abstract

Abstract In 2012, in California, after only 11 months of operation, an unplanned permanent shut down of the San Onofre Nuclear Generating Station (SONGS) power plant Units 2 and 3 was effected. This shut down was the result of a vibration-induced tube wear and leakage within the replacement steam generators. Tube-to-tube impacting was the result of violent tube vibrations caused by what was later discovered to be in-plane fluidelastic instability (IPFEI). Fluidelastic instability has been known to be a potential course of tube failure in steam generators. The instability was, however, historically known to be most likely to occur in the direction transverse to the flow, or the out-of-plane (OOP) direction relative to the plane in the SG U-tubes. Counter-measures known as anti-vibration bars (AVBs) are now routinely installed in SG to counter out-of-plane instability. In-plane fluidelastic instability (IPFEI) was not known to be an issue for steam generators. Prior to 2012, IPFEI was known to occur in lab experiments but was never seriously considered a risk for operating steam generators and partly for this reason. Interest in in-plane fluidelastic instability has been quite limited, with only a few researchers work on the phenomenon. However, the 2012 incident showed that this instability cannot be ignored and must be considered in SG design. In research on fluidelastic instability induced by single and two-phase flows, several tube array geometries have been studied, with particular focus on the triangular array layout and the normal square array geometry. These are the geometries most commonly encountered in industry. The studies showed the unstable nature of these arrays, where the instability was found to be predominantly in the transverse direction. In addition to the problem of in-plane fluidelastic instability itself, there is renewed interest in the study of the stability behavior of other array geometries. Of particular interest is the rotated square array. This array geometry is found in a few SG designs. Compared to the other array geometries, this array has unique dynamic characteristics. For instance, the array has been found to be generally more stable than other arrays in two-phase flow. In single phase flow, however, the array presents dynamic behavior which is considerably more complex. The promising behaviour (from a stability viewpoint) of the rotated square array was a motivation to investigate the array fluidelastic dynamics in this work. In addition, there is an industrial need to investigate the rotated square array behaviour since it is presently used in currently operating steam generators.

This thesis presents an indepth study of the dynamics of the rotated square array subjected to single phase and two-phase cross-flow. The main objective of the current study is to understand the array flow-induced vibration (FIV) behaviour for a wide range of flow conditions. In the first part of this thesis, the FIV response of the array when subjected to water flow is studied. In the study, the effect of varying array flexibility is investigated by testing with different numbers of flexible tubes.