Simulation numérique des vibrations de faisceaux de tubes soumis à un écoulement transverse : cas d'un écoulement de jet

This thesis presents the implementation of a numerical study to simulate the transverse jet flow in a tube bundle in a square configuration and evaluate its effect on the stability of the tubes. Simulations are performed with the CADYF code (Computation and Analysis of Fluid Dynamics). The static configuration in two dimensions (2D) is first studied for a tube bundle subjected to a transverse jet flow in order to determine the lift and drag coefficients. The coefficients of stability derivatives of lift and drag are also obtained. The determination of these different coefficients allows to set up the quasi-steady model for a tube bundle subjected to a transverse jet flow and to determine the critical velocity of fluidelastic instability. Fluid-structure interactions are studied for the tube bundle subjected to a uniform transverse flow and then to a transverse jet flow. For the tubes bundle subjected to uniform transverse flow, the mass-damping parameter takes different values which allows to determine several critical velocities of fluidelastic instability. With this same approach the critical velocity of fluidelastic instability is determined for a given mass-damping parameter in the case of transverse jet flow. For the tube bundle subjected to the transverse jet flow, a study of the influence of some parameters such as the eccentricity of the jet, the diameter of the jet were conducted. At the end of these studies the critical velocities of fluidelastic instability are determined and then represented on the stability map. In all studies, the geometries are in 2D. The tube bundle consists of 36 cylinders in square configuration with a pitch to tube diameter ratio (P/D) equal to 1.32. These studies made it possible to determine the critical velocities of fluidelastic instability in a tube bundle in square configuration subjected to a transverse flow (uniform and jet) then to represent them on the stability map.

Résumé

Ce mémoire présente la mise en place d'une étude numérique permettant de simuler l'écou- lement d'un jet transverse dans un faisceau de tubes en configuration carrée et évaluer son effet sur la stabilité des tubes. Les simulations sont effectuées sur le code CADYF (Calcul et Analyse de Dynamique des Fluides). La configuration statique en deux dimensions (2D) est tout abord étudiée pour un faisceau de tubes soumis à un écoulement de jet transverse afin de déterminer les coefficients de portance et de traînée. Les coefficients de dérivées de stabilité de la portance et de la traînée sont également obtenus. La détermination de ces différents coefficients permet de mettre en place le modèle quasi-stationnaire pour un faisceau de tubes soumis à un écoulement de jet transverse et de déterminer la vitesse critique d'instabilité fluidélastique. L'interaction fluide-structure est étudiée pour le faisceau de tubes soumis à un écoulement transverse uniforme puis à un écoulement de jet transverse. Pour le faisceau de tubes sou- mis à l'écoulement transverse uniforme, le paramètre masse-amortissement prend différentes valeurs ce qui permet de déterminer plusieurs vitesses critiques d'instabilité fluidélastique. Avec cette même approche la vitesse critique d'instabilité fluidélastique est déterminée pour un paramètre de masse-amortissement donné dans le cas l'écoulement de jet transverse. Pour le faisceau de tubes soumis à l'écoulement de jet transverse, une étude d'influence de certains paramètres comme l'excentricité du jet, le diamètre du jet ont été menés. À l'issue de ces études les vitesses critiques d'instabilité fluidélastique sont déterminées puis représentées sur la carte de stabilité. Dans toutes les études, les géométries sont en 2D. Le faisceau de tubes comprend 36 cylindres en configuration carrée dont le rapport pas sur diamètre du tube (P/D) est égal à 1.32. Ces études ont permis de déterminer les vitesses critiques d'instabilité fluidélastique dans un faisceau de tubes en configuration carrée soumis à un écoulement transverse (uniforme et jet) puis de les représenter sur la carte de stabilité.