Forces fluctuantes générées par un écoulement diphasique interne : mécanisme et modélisation.

D'une manière générale, les écoulements diphasiques se divisent en trois sous catégories de mélanges diphasiques. Ces derniers peuvent être constitués de deux liquides non-miscibles, d'un même fluide dans deux états différents, ou de deux fluides différents dont l'un est sous forme liquide et l'autre sous forme gazeuse. Lors de l'écoulement d'un tel mélange, la variation de la masse volumique qui traverse un volume donné peut générer d'importantes forces dans les éléments de tuyauterie. Ces phénomènes se produisent particulièrement dans l'industrie nucléaire, utilisant des réacteurs à eau bouillante (BWR) et à eau lourde pressurisée (PHWR), ou dans l'industrie liée à l'extraction et à la transformation du pétrole. La majorité des travaux précédents ont été réalisés avec des mélanges air-eau. Certains d'entre eux ont utilisé des additifs dans l'eau afin de faire varier les paramètres physiques de l'écoulement, tels que la tension de surface du mélange, la masse volumique et la viscosité du liquide. Peu de tests ont été réalisés avec un mélange eau-vapeur, principalement à cause des coûts et de la complexité de mise en oeuvre d'un tel mélange. Ces différentes études ont démontré que les forces générées par un écoulement diphasique sont quasi-périodiques à basses fréquences. Ainsi, si elles ne sont pas prises en compte dans le dimensionnement des ensembles de tuyauteries, ces forces peuvent générer d'importantes vibrations. Ces dernières provoquent des dommages à causes de l'usure prématurée des composants, pouvant aller jusqu'à leur rupture. Dépendamment du titre volumique, de la vitesse de chaque phase et des propriétés physiques du mélange, les écoulements adoptent différentes structures. Afin de prédire précisément les forces générées par celles-ci, il est nécessaire d'identifier clairement les différents types d'écoulements en fonction des paramètres qui les caractérisent. Pour ce faire, différents auteurs ont développé des modèles de transitions afin de produire des cartes de configurations d'écoulement diphasique vertical et horizontal. Néanmoins, pour une même transition, il existe parfois plusieurs modèles qui se basent sur des mécanismes différents. Par conséquent, il est nécessaire de regrouper les transitions qui correspondent le mieux à celles identifiées dans les conditions étudiés. Ceci va nous permettre de proposer une carte plus précise, afin de prédire la nature des forces dues aux écoulements diphasiques.

Abstract

Two-phase flows include three sub-categories of two-phase mixtures. They may consist of two immiscible liquids, of a single fluid in two different states or of two different fluids, the first in liquid form and the second in gaseous form. The variation in density of two-phase flow passing through a given volume can generate significant forces in piping elements. This phenomenon usually occurs in industries related to the extraction and processing of petroleum and in the nuclear industry, ie: boiling water reactors (BWR) and pressurized heavy water reactors (PHWR). Most previous experiments were conducted with air-water mixtures. Some of the experiments used additives in water to vary the physical parameters of the flow, e.g.; surface tension, fluids density or liquid viscosity. Due to the more difficult implementation of the steam-water mixture, only a handful of works has been conducted with this type of mixture. All of the studies have shown that two-phase flows induce quasi-periodic forces, at low frequency. So if they are not taken into account in the piping elements design, two-phase flow induced forces can generate strong vibrations. The vibrations cause damage due to the premature wear of components, up to failures. Depending on the void fraction, superficial velocities, and physical properties of the mixture, two-phase flows consist of different structures. To predict more precisely the forces generated by the different flows, it is necessary to clearly identify the different flow patterns, depending on flow parameters. Various models had been developed to compute vertical and horizontal two-phase flow pattern transition boundaries. However, for the same transition, several models exist, based on apparently different mechanisms. It is therefore necessary to select transition boundaries which best fit over the range of two-phase flow conditions studied. A proposed map makes it possible to predict more precisely the nature of forces depending on the two-phase flow pattern. The main objective of the present work is to study the fluctuating forces in a vertical U-tube and horizontal elbow. This study establishes the relationship between the different types of flows and the frequency behavior of the induced forces.