Forces d'excitation vibratoire dans un faisceau de tubes en configuration triangulaire normale soumis à un écoulement diphasique.

Les écoulements diphasiques transverses existent dans de nombreux types d'échangeurs de chaleur. Ces écoulements diphasiques peuvent engendrer des vibrations de tubes qui pourraient aboutir à longs termes à un endommagement voir à une rupture. C'est ainsi important d'avoir des lignes directrices de design pour prévenir cet endommagement potentiel des tubes. Des études antérieures montrent que deux phénomènes peuvent causer la vibration des tubes en écoulement diphasique: les forces d'excitations aléatoires et les instabilités fluide-élastiques. Cependant, un troisième mécanisme, des forces quasi-périodiques ont été récemment observées dans un faisceau de tube en configuration triangulaire tournée. Pour la configuration triangulaire normale, des mouvements vibratoires causés par de la turbulence ainsi que par des instabilités fluide-élastiques ont bien été observés. Toutefois, certaines excitations vibratoires restent inexpliquées et pourraient provenir aussi de forces quasi-périodiques. La présente étude est un essai pour décrypter les forces provoquant ces mouvements vibratoires. Des mesures de forces d'excitations vibratoires ont été entreprises dans un faisceau de tubes en configuration triangulaire normale soumis à un écoulement diphasique transverse. Les forces dynamiques dans la direction de la portance et de la trainée ont été mesurées avec des cylindres instrumentés par des jauges de déformation. Le faisceau de tubes à un rapport de pas sur diamètre de 1.5, et le diamètre des tubes est de 38 mm. Un large éventail de taux de vide et de vitesses a été testé. Les expériences révèlent des forces périodiques significatives dans les directions de trainée et de portance. Des forces fluides à fréquences quasi-constantes ou dépendantes de la vitesse ont été découvertes en plus de l'excitation aléatoire. Les résultats ont été comparés à ceux obtenus pour des cylindres flexibles dans le même faisceau. Cette comparaison montre une influence importante de ces forces quasi-périodiques sur le mouvement vibratoire des tubes. Toutes ces forces sont analysées et caractérisées pour en comprendre l'origine. C'est pourquoi les forces rms ainsi que les fréquences dominantes sont comparés avec différents paramètres tels que la vitesse ou la force cinétique du fluide.

Abstract

Two-phase cross-flow exists in many shell-and-tube heat exchangers. Two-phase flow can induce tube vibrations that could cause fretting-wear or fatigue in the long term. It is therefore important to have design guidelines that consider flow-induced vibration to prevent potential tube failures. Previous studies show that two phenomena can cause tube vibrations in two-phase flow: random excitation forces and fluidelastic instabilities. However, a third mechanism, quasi-periodic forces have been recently observed in a rotated tube bundle. In a normal triangular tube bundle, turbulence excitation and fluidelastic instabilities were observed in vibration studies. However, some vibration excitations remained unexplained and could come from quasi-periodic forces. The present study is an attempt to understand the forces underlying these motions. Vibration excitation force measurements are undertaken in a normal triangular tube bundle subjected to air-water cross-flow. The dynamic lift and drag forces were measured with strain gage instrumented cylinders. The tube bundle has a pitch-to-diameter ratio of 1.5, and the tube diameter is 38 mm. A wide range of void fraction and fluid velocities were tested. The experiments revealed significant forces in both the drag and lift directions. Constant frequency forces and quasi-periodic fluid forces depending on velocity were found in addition to random excitation. The results were compared with those obtained with flexible cylinders in the same tube bundle. These comparisons reveal the influence of quasi-periodic forces on tube motions. All these forces were analyzed and characterized to understand their origins. The rms forces and the dominant frequencies are compared with mass and momentum fluxes to understand the influence of these parameters. Detailed experiments of two-phase flow in a normal triangular tube bundle with fiber optic probes are also carried out in the present study to understand the correlation between the fluid and the forces. The local characteristics of the two-phase fluid were measured in six directions with fiber optic probes. Two homogeneous void fraction (50% and 80%) were investigated for a wide range fluid velocities. The experiments revealed different flow regimes.