Caractérisation des vibrations d'un faisceau de tubes soumis à un flux axial et à un jet transverse

Les vibrations induites par le flux dans les systèmes de refroidissement des centrales nucléaires sont un enjeu majeur de santé et de sécurité. En effet, certains réacteurs à eau pressurisée intègrent des dispositifs de sécurité tels que des trous et des fentes qui sont présents en cas d’accident de perte de liquide de refroidissement. Cependant, l’agencement de ses trous et de ses fentes provoque des écoulements combinés sur les faisceaux de cylindres de combustibles des réacteurs. Ces écoulements combinés sont alors au cœur de cette étude, car ils entraînent des vibrations pouvant mener à des instabilités. Dans le pire des cas, les barres de combustibles peuvent subir des instabilités fluidélastiques. Cela engendre alors des oscillations destructrices qui sont alors très coûtants d’un point de vue matériel, financier et sécuritaire. La littérature sur le sujet des vibrations induites par des écoulements combinés est encore peu fournie et le phénomène pas totalement compris. La présence d’un écoulement axial de fluide, l’écoulement du jet se voit alors dévié de son axe. Cela conduit alors à un écoulement complexe dans lequel l’écoulement axial primaire interagit avec les différentes régions de l’écoulement du jet. Ainsi le travail nécessaire à réaliser est d’identifier les paramètres généraux qui influencent le comportement dynamique d’un faisceau de cylindres soumis à un écoulement combiné pour ensuite en déduire une carte de stabilité fluidélastique. Afin de mener à bien cette étude, deux installations expérimentales ont été conçues. La première provient du travail réalisé précédemment par Gad-El-Hak et al. [20]. Ce montage est désigné comme étant à une travée. Le second montage présente, quant à lui, trois travées. Les deux montages ont été testés dans le but commun d’étudier l’effet de l’excentricité du jet ainsi que de la vitesse axiale sur la dynamique de l’ensemble des faisceaux de cylindres. Une étude expérimentale sur le banc d’essai à une travée permettant de compléter les données obtenues en [20] ont pu être traitées. Ainsi, deux cas d’excentricité ξ = 0 et ξ = 0.5 ont été testés pour compléter les cas ξ = 0.25. Il a été observé que le palier d’instabilité fluidélastique peut survenir pour un ratio de vitesse . Ainsi, cela confirme que le ratio de vitesse est un paramètre clefs dans l’identification des zones de stabilité dans un faisceau de cylindres soumis à des écoulements combinés. Cette étude s’intéresse aussi à l’influence des grilles d’espacements sur la stabilité des faisceaux de cylindres. Après avoir terminé les séries d’essais sur le montage à une travée, il a été nécessaire de mener à bien la conception ainsi que la mise en place d’un nouveau montage expérimental qui permet de tester un faisceau de cylindres à trois travées. Par la suite, des essais de caractérisations ont permis de définir le premier mode de vibration, f1 = 61Hz ; la raideur, k = 22604N.m−1 et l’amortissement z = 0.065 du système. Il a été trouvé que les grilles d’espacement créent un comportement non linéaire. Ces forces ont une influence sur l’amortissement du système, le premier mode propre n’est, quant à lui, pas influencé. Enfin, les installations disponibles n’ont pas pu déclencher le palier d’instabilité fluidélastique pour l’ensemble des vitesses axiales et de jet ainsi que pour les trois cas d’excentricité testés

Abstract

Flow-induced vibrations in nuclear power plant cooling systems pose significant safety concerns. Some pressurized water reactors incorporate safety features such as holes and slots designed for loss-of-coolant accidents. However, the arrangement of these holes and slots result in combined flows on the fuel rod bundles, becoming the focal point of this study due to the induced vibrations that may lead to instabilities. In extreme cases, fuel rods can experience fluidelastic instabilities, causing destructive oscillations. The literature on vibrations induced by combined flows is still limited, and the phenomenon is not fully understood. In the presence of axial fluid flow, the jet flow is deflected from its axis, leading to a complex flow where the primary axial flow interacts with different regions of the jet cross-flow. Therefore, the objective is to identify general parameters influencing the dynamic behavior of a cylinder bundle subjected to combine flows and subsequently develop a fluidelastic stability map. To conduct this study, two experimental setups were designed. The first one was derived from previous work by Gad-El-Hak [20] and is referred to as a single span. The second setup is referred to as a multi-span. Both setups were tested to study the effect of jet eccentricity and axial velocity on the fluidelastic threshold of a cylinder bundle. An experimental study on the single-span test rig, complementing the data obtained in [20], was carried out. Two eccentricity cases, ξ = 0 and ξ = 0.5, were tested to complement the ξ = 0.25 cases. It was observed that the fluidelastic instability threshold can occur for a velocity ratio , confirming that the velocity ratio is a key parameter in identifying stability zones in a cylinder bundle subjected to combined flows. This study also investigates the influence of spacer grids on the stability of cylinder bundles. After completing the test series on the single-span setup, it was necessary to design and set up a new experimental rig to test a three-span cylinder bundle. Characterization tests determined the first vibration mode (f1 = 61 Hz), stiffness (k = 22604 N.m−1), and damping (z = 0.065) of the system. Nonlinear behavior induced by spacer grids was identified, impacting the system damping while leaving the first natural mode unaffected. Unfortunately, the available setups could not trigger the fluidelastic instability threshold for all axial and jet velocities and the three tested eccentricity cases.