Paramètres pour l'instabilité fluidélastique : dérivées de stabilité et amortissement diphasique

Les échangeurs de chaleur et générateurs de vapeur sont des organes cruciaux pour le fonctionnement des centrales nucléaires. Ils se composent de milliers de tubes conduisant l'eau issue du réacteur, chauffée par la fission. Cette chaleur est transmise à un second circuit d'eau externe aux tubes. L'eau du circuit secondaire se change alors en vapeur pour alimenter les turbines et générer ainsi de l'électricité. Lors du changement de phase, l'écoulement diphasique (liquide/vapeur) transverse aux tubes cause différents phénomènes vibratoires sur les tubes. Ceux-ci peuvent être préjudiciables à l'intégrité structurale du générateur de vapeur et sont responsables d'arrêts de production des centrales. Une comprehension accrue des paramètres en jeu conduirait à une meilleure prédiction de la durée de vie des générateurs de vapeur. Un des phénomènes vibratoires les plus destructeurs est sans conteste l'instabilité fluidélastique, car elle conduit à des collisions entre les tubes de l'échangeur. Ceci peut mener à une usure prématurée par frottement, à des fissurations par fatigue, puis à des fuites d'eau radioactive. Ainsi, il est crucial de savoir prédire les conditions menant à l'instabilité, afin de contrôler la dégradation des tubes. Dans ce memoire, nous visons à identifier les paramètres d'intérêt pour prédire l'instabilité fluidélastique. Pour ce faire, nous nous appuyons sur un modèle théorique, le modèle quasi-stationnaire. On montre que l'équation de prédiction de la vitesse critique d'instabilité comprend deux paramètres compliqués à déterminer. Il s'agit de la dérivée du coefficient de portance sur un cylindre d'une part, et de l'amortissement d'autre part. L'objectif principal de ce projet est la mesure expérimentale de ces deux paramètres. Nous avons mesuré expérimentalement la dérivée du coefficient de portance,car son signe est une condition suffisante pour déterminer l'existence de l'instabilité fluidélastique. L'étude expérimentale a été menée pour des nombres de Reynolds faibles et modérés dans un faisceau de tubes avec un écoulement monophasique. Ceci comble le vide de la littérature où l'on ne trouve que des valeurs à des nombres de Reynolds très élevés. En parallèle, des méthodes numériques sont utilisées. Elles sont fondées sur une résolution numérique directe des équations de Navier-Stokes par la méthode des éléments finis, et sur la théorie des écoulements potentiels. Les résultats pour la dérivée du coefficient portance sont comparés à nos expériences, ainsi que celles de la littérature. De surcroît, ces méthodes numériques permettent d'étudier l'influence de paramètres géométriques du faisceau sur la dérivée du coefficient de portance. La tendance des résultats montre que la dérivée du coefficient de portance devient indépendante du nombre de Reynolds à haut régime.

Abstract

Heat exchangers and steam generators are crucial components in nuclear power plants. Water heated by nuclear fission is flowing through thousands of tubes inside a steam generator. Heat is transmitted to a second water network, external to the tubes. Steam is generated from the water of the secondary to power the turbines that produce electrical power. In this process, two-phase cross flow across the tubes causes several excitation phenomena. Vibration induced on the tubes can compromise the structural integrity of the steam generator, and can lead to power plant shutdowns. Better understanding of parameters at stake would lead to improved power plant safety and reliability. Fluidelastic instability is without doubt one of the most destructive vibration phenomena. It causes the steam generator tubes to collide against one another. This can lead to premature wear on the tubes, cracks due to fatigue and eventually, leaks leading to radioactive water contamination. Therefore, predicting conditions leading to fluidelastic instability would allow to control the damage on the tubes. In this thesis, we aim at identifying the key parameters to predict fluidelastic instability. To do so, a theoretical approach is based on the quasisteady model. It is shown that the equation used to predict fluidelastic instability comprises two parameters that are hard to characterize. There is, on one hand, the derivative of the lift coefficient on a cylinder, and damping on the other hand. The main objective of this project is to measure these parameters experimentally. Knowing that the sign of the lift coefficient derivative is a sufficient indicator of fluidelastic instability, this derivative was measured. The experiments were carried out on the center tube of an array. The flow is single-phase and values of Reynolds number are low to moderate, thus filling a gap in the literature. Indeed, the lift coefficient derivative is known for high values of the Reynolds number only. Meanwhile, numerical methods are developed. They are based on the direct resolution of Navier-Stokes equations with the finite-element method, and on potential flow theory. Results for the lift coefficient derivative are compared to the measurements. Furthermore, the influence of geometric parameters of the array are investigated. The trend in the results show that the derivative of the lift coefficient becomes Reynolds independent for high values. From the literature and the measurements, a relationship is proposed for the lift coefficient derivative with respect to the Reynolds number. Values are injected in the quasi-steady model to predict the critical velocity for the onset of instability of a single exible tube. Stability maps for various Reynolds numbers are proposed, using typical values for the tube damping.