Modélisation de l'instabilité fluidélastique d'un faisceau de tubes soumis à un écoulement disphasique transverse

RESUME: Cette etude porte sur la modelisation de l’instabilite fluidelastique induite par les ecoulements diphasiques dans les faisceaux de tubes. La problematique se pose au sein des faisceaux de tubes des generateurs de vapeur des centrales nucleaires qui comportent des milliers de tubes assurant l’echange d’energie entre le reacteur et les turbines qui produisent l’electricite. Ces tubes sont immerges dans un ecoulement diphasique constitue d’un melange eau-vapeur. A la suite de cette immersion, les tubes sont soumis a des excitations induites par l’ecoulement diphasique. Les mecanismes d’excitations ont ete identifies comme etant : les forces de turbulence, les forces resultant des tourbillons alternees, les forces liees a la resonance acoustique, les forces quasi-periodiques et enfin les forces fluidelastiques. Les forces fluidelastiques sont differentes par nature des autres mecanismes d’excitation car elles sont couplees au mouvement de la structure. De plus, lorsque la vitesse de l’ecoulement devient suffisamment grande, et dependant de la frequence du tube, de la configuration du faisceau, et de l’effectivite des supports, les forces fluidelastiques peuvent croitre avec le mouvement de la structure, provoquant ainsi une instabilite appelee instabilite fluidelastique. L’amplitude des vibrations augmente alors rapidement, pouvant ainsi conduire a l’endommagement des tubes par fatigue ou leur usure par frottement. En l’etat actuel des connaissances, la duree de vie des tubes est predite par calcul de puissances d’usure. Ce calcul est effectue en simulant la reponse du tube aux forces d’excitation et en extrayant les forces de contact et les deplacements au niveau des supports. Comme les forces fluidelastiques constituent le mecanisme le plus severe, leur modelisation physique est necessaire. Le modele le plus utilise actuellement est le modele quasi-statique de Connors mais ce modele est connu pour sous-estimer la vitesse critique d’instabilite en plus de presenter peu de sens physique. Plusieurs autres modeles theoriques existent mais tous ont ete developpes pour des ecoulements monophasiques alors que les faisceaux de tube des generateurs de vapeurs operent au sein d’ecoulements diphasiques. L’objectif principal de ce projet de recherche est donc d’etendre les modeles d’etudes de l’instabilite fluidelastique aux ecoulements diphasiques, de les valider, puis de developper un code de simulation des vibrations induites par les ecoulements diphasiques au sein des faisceaux de tubes. Le modele quasi-stationnaire a fait l’objet d’une investigation etendue au cours de ce projet.----------ABSTRACT: This study focuses on the modeling of fluidelastic instability induced by two-phase cross-flow in tube bundles of steam generators. The steam generators in CANDU type nuclear power plants for e.g., designed in Canada by AECL and exploited worldwide, have thousands of tubes assembled in bundles that ensure the heat exchange between the internal circuit of heated heavy water coming from the reactor core and the external circuit of light water evaporated and directed toward the turbines. As a result of their immersion in the two-phase flow, the tubes in the bundle are subjected to flow induced vibration, mostly in the upper U-bend region. The fluid excitation mechanisms have been identified as: turbulent buffeting, vortex shedding, acoustic resonance, quasi-periodic forces and fluidelastic forces. The fluidelastic forces are different in nature from the other types of excitation mechanisms because they are motion dependent. At sufficiently high velocities, and depending on the tube frequency, the tube bundle configuration and the support effectiveness, the forces may increase with the structure motion, resulting in an instability known as fluidelastic instability. As a consequence, the vibration magnitude increases rapidly and this can lead to tube damage by fatigue or fretting wear. In the current state of the art, the lifetime of the tubes is predicted using wear rate calculations. These computations are done by simulating the tube vibratory response to the fluid force excitations. Since the fluidelastic forces are the most severe type of flow-induced excitation, a correct fluidelastic model is needed to obtain accurate results. The currently used model, i.e. the Connors model is known to be very conservative. Besides, it gives no physical insight into the issue of fluidelastic instability. Several other models have been developed by researchers but all of these models were developed for single phase flow whereas tube bundles in steam generators operate mostly in two-phase flow. The main objective of this research project is to extend the theoretical models for fluidelastic instability to two-phase flow, validate the models and develop a computer program for simulating flow induced vibrations in tube bundles. The quasi-steady model has been investigated in scope of this research project. The time delay between the structure motion and the fluid forces generated thereby has been extensively studied in two-phase flow.

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