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Streamwise Fluidelastic Instability of Tube Arrays Subjected to Two-Phase Flow

Stephen Okoth Olala

Ph.D. thesis (2016)

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Abstract

Flow induced vibration is a major concern to designers and operators of tube-and-shell heat exchangers. Among the several excitation mechanisms, fluidelastic instability has been identified to be the most catastrophic source of tube failure in the short term in tube bundles. Consequently, a number of theories have been developed for its prediction. However, all these theories were developed primarily for single phase flow even though tube arrays in steam generators operatemostly in two-phase flow.The main goal of this research project is therefore, to extend the theoretical models for fluidelastic instability to two-phase flow, particularly, streamwise fluidelastic instability of multiple flexible tube arrays in two-phase flow. The quasi-steady model has been studied in the scope of the current research project. The study was conducted for a rotated triangular array ofpitch-to-diameter ratio , P D 1.5.Firstly, experimental tests were performed to determine the quasi-steady forces on a kernel of tubes subjected to two-phase air-water cross-flow. The tests were done for a series of void fractions and a Reynolds number (based on the pitch velocity), 4 Re  7.210 . The forcesobtained and their derivatives with respect to the static streamwise displacement of the central tube in the cluster were then used to perform a quasi-steady fluidelastic instability analysis. The predicted instability velocities were found to be in fairly good agreement with dynamic stability tests. Array stability was found to depend on the number and location of the flexible tubes. Since the effect of the time delay was ignored at this stage, the analysis confirmed the predominance of the stiffness-controlled mechanism in causing streamwise fluidelastic instability.The effect of frequency detuning on the streamwise fluidelastic instability threshold was alsoexplored. It was found that frequency detuning has, in general, a stabilizing effect. However, for a large initial variance in a population of frequencies, a smaller sample drawn from the larger population was found to sometimes have lower or higher variance resulting in a large scatter in possible values of the stability constant.Secondly, the unsteady fluid forces on the same kernel of tubes were measured when the central tube was oscillated in the flow direction.

Résumé

Les vibrations induites par les écoulements est une préoccupation majeure pour les concepteurs et les opérateurs des échangeurs de chaleur. Parmi les nombreux mécanismes d'excitation, l'instabilité fluide-élastique a été identifiée comme la source la plus catastrophique de défaillance de tube à court terme dans les faisceaux. Par conséquent, un certain nombre de théories ont étémis au point pour sa prédiction. Cependant, toutes ces théories ont été développées principalement pour l'écoulement de monophasique, même si les faisceaux de tubes dans les générateurs de vapeur fonctionnent principalement en écoulement diphasique.L'objectif principal de ce projet de recherche est donc d'étendre les modèles théoriques de l'instabilité fluide-élastique aux écoulements diphasique, en particulier, par l'instabilité fluideélastique dans le sens de l'écoulement avec de multiples tubes flexibles. Le modèle quasi-statique a été étudié dans le cadre du projet de recherche en cours. L'étude a été réalisée pour un faisceau de tube triangulaire tourné.Premièrement, des tests expérimentaux ont été réalisés afin de déterminer les forces quasistatiques sur une grappe de tubes soumis à un écoulement diphasique transverse eau-air. Les tests ont été effectués pour une série de taux de vide et un nombre de Reynolds (en fonction de la vitesse inter tubé), 4 Re  7.210 . Les forces obtenues et leurs dérivés spatiales en fonction de la position du tube central de la grappe ont ensuite été utilisées pour effectuer une analyse quasistatiquede l'instabilité fluides-élastiques. Les vitesses prévues d'instabilité ont été jugés en assez bon accord avec les tests de stabilité dynamique. La stabilité du faisceau de tubes a été trouvée en fonction du nombre et de l'emplacement des tubes flexibles. Entant donné que l'effet du déphasage a été ignoré à ce stade, l'analyse a confirmé la prédominance du mécanisme contrôlé par la rigidité pour provoquer une instabilité fluide-élastique dans le sens de l'écoulement.L'effet de désaccorder dans les fréquences naturelles des tubes sur le seuil d'instabilité a aussi été exploré. On a constaté que cet effet a en général un effet stabilisant. Cependant, pour un grand écart initial dans une population de fréquences, il a été constaté qu'un plus petit échantillon tiré de la population plus large puisse parfois avoir un écart inférieur ou supérieur résultant d'une grande dispersion des valeurs possibles de la constante de stabilité.
Department: Department of Mechanical Engineering
Program: Génie mécanique
Academic/Research Directors: Njuki W. Mureithi
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/2221/
Institution: École Polytechnique de Montréal
Date Deposited: 27 Oct 2017 11:20
Last Modified: 08 Nov 2022 13:41
Cite in APA 7: Olala, S. O. (2016). Streamwise Fluidelastic Instability of Tube Arrays Subjected to Two-Phase Flow [Ph.D. thesis, École Polytechnique de Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/2221/

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