Étude des forces dues à la turbulence dans un écoulement diphasique transverse sur un faisceau de tubes en configuration triangulaire tournée.

Des écoulements diphasiques transverses existent dans de nombreux types d'échangeurs de chaleur. Les forces induites par ce genre d'écoulements peuvent engendrer des vibrations, qui, même si celles-ci sont faibles aboutissent par un endommagement ou même une rupture des tubes. Une meilleure connaissance des forces dues aux écoulements diphasiques transverses peut permettre d'adapter la conception des échangeurs de chaleurs afin de limiter les vibrations induites par l'écoulement. Des études ont déjà été effectuées sur le sujet, en fournissant des données sur les régimes d'écoulements, les instabilités fluidélastiques et sur les forces dues à la turbulence. Cependant les spectres fréquentiels des forces dues à la turbulence en écoulement diphasique transverse ont rarement été étudiés, ceux-ci étant supposés être relativement plats. Or une étude récente effectuée sur des tubes ayant un plus gros diamètre que dans un générateur de vapeur réel a mis en évidence l'existence de forces quasi-périodiques inattendues. Des expériences ont alors été conduites avec un faisceau de tubes en configuration triangulaire tournée pour déterminer si ces forces existent toujours sur un faisceau de tubes ayant la même géométrie que celle d'un générateur de vapeur. L'écoulement diphasique a été obtenu par un mélange eau-air. Les forces quasi-périodiques ont également été observées dans ces expériences. Ce projet vise à comprendre les forces induites par la turbulence sur un faisceau de tubes soumis à un écoulement diphasique transverse. La mesure des forces dans un faisceau de tubes de petit diamètre a nécessité un travail rigoureux pour le design de la section d'essai, et la conception des tubes instrumentés qui mesurent les forces. Des données sur les spectres fréquentiels des forces dynamiques de portance et de trainée auxquelles sont soumis les tubes sont fournies. L'évolution des forces rms en fonction du flux massique et des fréquences moyennes des forces en fonction de la vitesse d'écoulement sont également étudiés. Ce projet fournit des résultats concernant l'effet de la position des tubes dans le faisceau sur les forces mesurées, ainsi que diverses données concernant la corrélation spatiale des forces. Les résultats obtenus sont comparés avec des résultats obtenus par de précédentes études. Une étude approfondie de la forme des spectres des forces dynamiques permet de mettre en place un nouveau procédé permettant de relier une densité spectrale de puissance

Abstract

Two-phase cross-flow exists in many shell-and-tube heat exchangers. The associated flow-induced excitation forces can cause tube motion that can result in long-term fretting wear or fatigue. Detailed flow and vibration excitation force measurements in tube bundles subjected to two-phase cross-flow are required to understand the underlying vibration excitation mechanisms. Studies have already been done on the subject, providing data on flow regimes, fluidelastic instabilities and flow-induced turbulence. However, the force spectra data remain very scarce. The spectra have also generally been supposed to be relatively flat. A recent study, performed with tubes having a larger diameter than that in an actual steam generator, showed the existence of unexpected quasi-periodic forces in two-phase cross-flow. An experimental program was undertaken with a rotated-triangular array of cylinders subjected to air-water cross-flow, to simulate two-phase mixtures. The tube bundle here has the same geometry as that of a real steam generator. The quasi-periodic forces have now also been observed in this tube bundle. The project aims to understand the turbulence induced forces on a tube bundle subjected to two-phase cross-flow. In order to be able to measure correctly the force spectra, force measurements on the tubes having a smaller diameter required an appropriate design for the test section and the instrumented tubes. Data on drag and lift dynamic force spectra are provided in this project. The variations of rms forces with the mass flux and of the mean frequencies with the flow velocity are also investigated. Data on the effect of the position of the tubes in the tube bundle are provided, and so are the spatial force correlations. Comparisons are also made with previous studies on the subject. A detailed study on the shape of the dynamic force spectra leads to a new scaling procedure for collapsing dimensionless equivalent power spectral densities and dimensionless frequency. The shape of the obtained spectra is very different from those obtained in single-phase cross-flow. This suggests that random forces in two-phase flow are generated by a different mechanism than the flow fluctuations as in single-phase flow. A simple model is developed assuming that the forces are generated by the “impacts” of the two different phases in contact with the tube.