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.