Modélisation des écoulements diphasiques : amortissement, forces interfaciales et turbulence diphasique.

Les écoulements diphasiques sont très courants dans l'industrie. Ce type d'écoulement est une source potentielle de vibration dans la tuyauterie. De tels écoulements peuvent induire des vibrations entraînant de la fatigue ou de l'usure prématurée des tuyaux. Les bris de composants de tuyauterie sont critiques et doivent être évités en particulier dans l'industrie nucléaire. Les écoulements diphasiques peuvent s'organiser dans des configurations d'écoulement très différentes et produire par conséquent de forces très variables sur la structure. À titre d'exemple, on observe une augmentation significative de l'amortissement dans les tuyaux contenant un écoulement diphasique par rapport à ceux contenant un écoulement monophasique. Cet amortissement est appelé l'amortissement diphasique. Deux articles de revues scientifiques, constituant la première partie de cette thèse, y sont consacrés. Le taux de vide (le rapport du volume de gaz par rapport au volume total) est un paramètre clé des phénomènes diphasiques et en particulier de l'amortissement diphasique. L'influence du taux de vide sur les forces d'interface et les écoulements autour de quelques bulles est donc primordiale à étudier. Dans un premier temps, un travail technique a été réalisé pour créer des instruments de mesure du taux de vide. Dans un deuxième temps, une étude sur la structure de l'écoulement autour des bulles a été réalisée. Elle constitue la dernière partie de cette thèse avec un article de revue scientifique en deux parties. Cette étude aux petites échelles est un bon moyen de comprendre les phénomènes d'écoulement diphasique dans leur globalité. La première partie de cette thèse est consacrée à l'amortissement diphasique. Cet amortissement est considéré comme une solution pour améliorer la durée de vie des structures, car il constitue un élément dominant de l'amortissement total dans la tuyauterie transportant des écoulements diphasiques. Cependant, les mécanismes responsables de l'amortissement diphasique ne sont pas encore bien compris et il n'existe pas de modèle pratique disponible pour prévoir cet amortissement. L'amortissement diphasique est de la plus haute importance pour prédire la fatigue et l'usure par frottement et par conséquent prévoir la durée de vie des structures entourées d'écoulement diphasique. Cet amortissement est également crucial pour prédire la vitesse critique pour l'instabilité fluidélastique en écoulement transverse. Toutefois, en écoulement transverse, les forces liées à l'amortissement diphasique sont accompagnées d'autres forces importantes telles que la turbulence diphasique, l'amortissement visqueux, les forces quasi périodiques, etc.

Abstract

Two-phase flow is common in industry. This kind of flow is a potential source of vibration in piping systems. Such flow may induce vibration that can lead to premature fatigue or wear in piping. Failure of piping components is critical and must be avoided especially in the nuclear industry. Two-phase flow can reorganize itself into very different flow patterns, thus, generating very different kinds of forces on the structure . As an example, a significant increase in damping is observed in two-phase flow compared to single phase flow. This damping is naturally called two-phase damping. Two journal articles, constituting the first part of this thesis, are devoted to it. The void fraction (ratio of gas volume to total volume) constitutes one key parameter controlling two-phase flow phenomena and in particular two-phase damping. The influence of void fraction on interface forces and flow around a group of bubbles is therefore studied. First, technical work to develop void fraction measurement instruments was done. Second a closer look at flow structure around bubbles constitutes the last part of the thesis yielding a two-part journal paper. This study at a fundamental scale leads to insights into two-phase flow phenomena at the larger scale. The first part of the thesis is devoted to two-phase damping. This damping is considered part of the solution against failure of piping, since it constitutes a dominant component of the total damping in piping conveying two-phase flow. However, the mechanisms responsible for two-phase damping are not well understood and no convenient models are available to predict this damping. Two-phase damping is of the utmost importance to predict fatigue and fretting-wear and consequently predict the life of structures operating in two-phase flow. This damping is also crucial in the prediction of the critical velocity for fluidelastic instability in cross-flow. However, in cross-flow, two-phase damping is accompanied by other significant forces such as two-phase turbulence, viscous damping, quasi periodic forces, etc. A correct measure of two-phase damping is therefore complex. However, in internal flow, especially with clamped-clamped tubes two-phase damping and structural damping are the two only significant damping. This allows a direct measurement of two-phase damping. For this reason, damping experiments were first carried out with internal flow. Nevertheless, the knowledge acquired with internal flow should also be useful to predict two-phase damping in cross-flow as the general mechanism of two-phase damping should be the same. Experiments were performed with a vertical tube clamped at both ends. Two-phase damping ratios were obtained from free transverse vibration measurements on the tube using the log-decrement technique.