Étude expérimentale et modélisation de l'impact entre une bulle et une structure

Les écoulements diphasiques sont présents dans plusieurs applications industrielles. Notamment, ils sont d'une grande importance dans les générateurs de vapeur des centrales nucléaires. À l'intérieur de ces générateurs, des écoulements à bulles traversent des faisceaux de tubes et engendrent des vibrations substantielles sur ces derniers. Dans le but de prévoir le spectre des forces agissant sur ces tubes, un modèle numérique a été développé au sein de la chaire de recherche industrielle en interaction fluide-structure CRSNG/BWC/EACL. Bien que le modèle soit prometteur, certains éléments pourraient être affinés. Le but de ce mémoire est d'apporter par des méthodes expérimentales et théoriques des améliorations aux hypothèses à la base du modèle élaboré. Plus particulièrement, de développer des relations de fermeture pour la masse ajoutée de bulles dans un nuage de bulles. Également, de créer un modèle d'impact entre une bulle et une structure afin de connaître les efforts sur la bulle et sur la structure. Dans un premier temps, le problème de masse ajoutée est traité. Sous l'hypothèse d'un écoulement potentiel, une méthode de résolution d'écoulement à l'intérieur d'un nuage de bulle est développée. Les bulles sont considérées comme des sphères rigides de taille identique avec des conditions de glissement imposées à leur surface. Une relation permettant de prédire la force de masse ajoutée sur une bulle au centre d'un nuage est développée. Elle prend en compte un effet individuel, un effet de confinement et un effet induit par les autres bulles. Il est ainsi possible, à partir de la géométrie d'un nuage de bulle, de déterminer quelle sera la force de masse ajoutée subie par n'importe quelle de ces bulles. Ensuite, l'approche précédente est étendue pour le cas d'une bulle ellipsoïdale et déformable approchant d'un mur. Des relations de masse ajoutée sont développées tant pour le mode de translation que pour le mode de compression. La notion de force de jet est également discutée et son utilité pour la conservation de l'énergie est mise en évidence. Ces forces sont ensuite mises ensemble afin de créer un modèle d'impact sur un mur. Ce modèle peut non seulement servir à prédire les forces sur la bulle, mais également les forces sur le mur. Afin de valider ce modèle, plusieurs expériences ont été réalisées. Le premier montage permet de réaliser des impacts de bulles sur un mur fixe. De ces expériences, des relations de restitutions sont extraites. Elles permettent de prédire l'état de la bulle après collision à partir de ses caractéristiques initiales. Il devient évident que la catégorie de bulle (lente ou rapide) a un effet significatif sur la dynamique de la collision. Plus encore, l'élément clé qui dicte le comportement au rebond semble être le rapport d'aspect de la bulle.

Abstract

Two-phase flows are present in many industrial applications. In particular, they are of interest in the steam generators of nuclear power plants. In these equipment, bubbly flows go through tube bundles and produce substantial vibration on the constitutive tubes. In order to model the force spectrum acting on the tubes, a numerical model was developed by the Industrial Research Chair in fluid-structure interaction NSERC/BWC/AECL. Although promising, some elements of the model could be refined. The purpose of this paper is to provide theoretical and experimental methods to improve the developed code. In particular, to develop added mass closure relations for bubbles in a cloud of bubbles. Also, to create a bubble-structure collision model. This model should allow the prediction of the forces acting on the bubble as well as the forces acting on the structure. To begin, the problem of added mass is treated. Under the potential flow theory, a method for solving the flow inside a cloud of bubbles is developed. The bubbles are considered as rigid spheres of the same size with a slip condition prescribed on their surface. From these flows, an expression to predict the added mass force on any given bubble is developed. It takes into account an individual effect, a confinement effect and an induced effect caused by other bubble accelerations. It is therefore possible, from a known geometry of bubbles, to determine what will be the added mass force exerted on any of these bubbles. Then, the above approach is extended to the case of an ellipsoidal and deformable bubble approaching a wall. Added mass relations are developed for both the translation mode for the compression modes. The concept of jet force is also discussed and its usefulness for energy conservation is highlighted. These forces are then put together to create an impact model on a wall. This model is used to predict the forces on the bubble and on the wall. To validate this model, several experiments were conducted. The first one is the impact of rising bubbles with a rigid horizontal wall. Restitution relations are extracted from the experimental results. These relations allow to predict the state of a bubble after impact from the characteristics before impact. It becomes clear that the category of bubble (slow or fast) has a significant effect on the collision behavior. Moreover, the key element that drives the rebound behavior seems to be the aspect ratio of the bubble. As a second experimental part, the impact of rising bubbles on a floating structure was performed. Experiments shows that the floating structure experiences a repulsive from the bubble. This force is becomes significant for bubble-wall distances of approximately 5 bubble radius. Although the analysis is preliminar, the model predicts the right order of magnitude for this repulsive force. These forces are of the order of micronewton.