Modelling Fluidelastic Instability in a normal triangular tube array subjected to single-phase and two-phase cross flows

L’instabilité fluide-élastique est le mécanisme le plus important de vibration induite par l’écoulement. Les instabilités fluide-élastique peuvent provoquer des vibrations a grandes amplitudes et une défaillance prématurée des tubes des échangeurs de chaleur, en particulier des générateurs de vapeur nucléaires. Le fonctionnement sécuritaire des centrales électriques dépend de l’intégrité des tubes de l’échangeur de chaleur. Modéliser et prédire avec précision les instabilités fluide-élastique reste un défi majeur pour les concepteurs d’échangeurs de chaleur soumis à des vitesses d’écoulement élevées des gaz, des liquides ou des mélanges diphasiques. L’objectif principal de ce projet de recherche est de développer des modèles prédictifs qui peuvent aider les concepteurs à fixer les limites de vitesse d’écoulement à l’intérieur du générateur de vapeur pour éviter l’instabilité fluide-élastique. Le travail présenté dans cette thèse consiste en une série d’investigations sur le comportement de stabilité de la configuration de tube triangulaire normale à travers un développement de modèle théorique et un programme d’essais expérimentaux complet qui a été conçu pour déterminer les forces fluide-élastique pour les écoulements monophasique et diphasiques. Tout d’abord, des essais expérimentaux sont menés pour mesurer les forces fluides instationnaires et quasi-statiques agissant sur un faisceau de tube triangulaire normale de rapport de pas sur diamètre de 1.5 soumis à un écoulement monophasique transverse (l’eau). Les forces de fluides, instationnaires et quasi-statiques, sont ensuite utilisées ensemble pour estimer le déphasage temporel entre le mouvement du tube central et les forces de fluide sur le tube luimême. L’effet de déphasage pour le modèle d’instabilité fluide-élastique quasi-stationnaire est obtenu dans le domaine fréquentiel sous la forme d’une fonction de Theodorsen équivalente. À l’aide de la nouvelle expression du déphasage une analyse de stabilité est effectuée pour prédire la vitesse critique d’instabilité fluide-élastique dans un faisceau de tube triangulaire normale soumis à un écoulement monophasique. Le seuil de stabilité prédit est cohérent avec les données expérimentales précédemment publiées. Les résultats montrent que le faisceau de tube triangulaire normale a un seuil de stabilité plus élevé que le faisceau de tube triangulaire tourné. Dans la deuxième partie du travail, une nouvelle formulation de déphasage basée sur la théorie de la réponse indicielle est obtenu pour représenter les forces fluide-élastique présentes dans le modèle quasi-stationnaire. Des expériences d’écoulement diphasique sont conduites pour extraire les fonctions indicielles de portance d’un tube vibrant pour un éventail de taux devide. Les forces statiques et dynamiques associées à l’écoulement qui affectent le faisceau de tube sont analysées. Les forces sont mesurées pour un large éventail de vitesses et de taux de vide, ainsi des fonctions indicielles dépendantes de taux de vide peuvent être déterminées. En utilisant les fonctions indicielles, une analyse de stabilité est effectuée pour prédire la vitesse critique pour l’instabilité fluide-élastique dans un faisceau de tube triangulaire normale soumis à un écoulement diphasique. Le seuil de stabilité prédit correspond étroitement aux résultats expérimentaux précédemment rapportés et aux prédictions du modèle instationnaire général. Les résultats suggèrent que la fonction indicielle capture l’effet de déphasage temporel qui est responsable de l’instabilité fluide-élastique et en particulier, le mécanisme d’instabilité contrôlée par l’amortissement. Dans la troisième partie du travail, un nouveau modèle basé sur la théorie classique de l’aérodynamique instationnaire et le mécanisme de flottement est proposé pour expliquer l’origine de déphasage temporel entre le mouvement du tube et les forces fluide-élastique non linéaires, un paramètre important pour la prédiction de l’instabilité fluide-élastique. À l’aide de ce modèle, une nouvelle fonction du déphasage dans le domaine fréquentiel a été théoriquement dérivée sans s’appuyer sur des données expérimentales de forces fluides instationnaires, comme c’était le cas avec les modèles précédents. Une analyse de stabilité est effectuée sur la base de la nouvelle fonction du déphasage combinée aux forces de fluide statique pour une gamme de nombre de Scruton. Ce seuil de stabilité se compare bien aux données expérimentales. Le modèle analytique devrait être un outil précieux pour l’étude future de la physique fondamentale de l’instabilité fluide-élastique.