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Modelisation of Fluid-Elastic Forces in Tube-Bundle
Qualification numérique des méthodes de modélisation des forces fluide-élastiques s’exerçant dans un faisceau de tubes en écoulement transversal
Marcus Vinicius GIRÃO DE MORAIS
Jury de Soutenance:
Pr. Bernard PESEUX - president du jury-, Ecole Centrale de Nantes
Dr. Christian CREMONA - rapporteur -, Laboratoire Central de Ponts et Chaussées Paris
Pr. Zhi-Qiang FENG - examinateur -, Université d'Evry val d'Essonne
Dr. Olivier LE MAÎTRE - examinateur -, Université d'Evry val d'Essonne
Dr. Franck BAJ - encadrement CEA -, CEA Saclay
Pr. René-Jean GIBERT - directeur de these -, CEA Saclay
Le 22 novembre 2006, à 14 heures
Orme des Merisiers - Bât. 703 - Pièce 135 - CEA Saclay
Plusieurs équipements industriels sont composés d'une variété de tubes qui vibrent sous le fluide d'écoulement. Dans un réacteur nucléaire à l'eau pressurisée, la prédiction du comportement vibratoire de tubes à l'intérieur d'un générateur de vapeur est un problème complexe et encore méconnu. L'interaction entre la structure vibrante et un écoulement fluide, c'est-à-dire, couplage fluide-élastique, mène à des comportements instables.
L'essentiel des études entreprit sur le couplage fluide-élastique en faisceau de tubes, depuis les années 60, ont été réalisées sur modèles réduits. D'un point de vue numérique, les techniques de modélisation adaptées au couplage fluide-structure ont beaucoup progressé ces dernières années. La modélisation numérique devient un outil complémentaire pour la recherche en configurations simples, qui sont difficilement réalisables en expérimental, et d'améliorer ainsi la compréhension du phénomène.
Ce travail vise à comparer les performances de deux techniques de modélisation numériques: les méthodes ALE et de Transpiration. En travaillant dans un domaine de grille qui suit le mouvement vibratoire des parois sans être attaché aux particules fluides, l'approche ALE combine les avantages des approches lagrangiens et eulériens. Cette caractéristique la rend un outil parfaitement adapté à l'étude de problèmes couplés. La méthode de Transpiration est une approche simplifiée pour le calcul de forces fluide-élastiques soumis à faibles amplitudes de vibration. Basée sur un développement au premier d'ordre des conditions aux limites en vitesses, cette méthode permet d'utiliser un domaine fluide fixe tout au long du calcul, en évitant les difficultés liées aux déformations du maillage.
Un algorithme de couplage décalé asynchrone développé pour la simulation du comportent vibratoire d'un cylindre mobile sous écoulement fluide 2D a été implémenté dans CAST3M.
Les performances des méthodes ALE et de Transpiration ont été comparées à l'aide des deux cas-types : un cylindre isolé vibrant en milieu fluide confiné et, sous écoulement transversal. D'abord, le premier cas est confronté à la solution analytique d'un cylindre vibrant dans le milieu liquide confiné incompressible 2D et au code Saturne (EdF). Ensuite, le détachement tourbillonnaire autour d'un cylindre en mouvement forcé a été analysé. L'évolution des forces fluide-élastique de chaque méthode est comparée à travers des données expérimentales et d'autre méthode numérique nommée ARF (Technique du Repère Relatif).
Enfin, le comportement dynamique d'un faisceau de tubes à plusieurs vitesses réduites a été simulé jusqu'au seuil critique d'instabilité fluide-élastique. Les résultats numériques ont été confrontés à des données expérimentales et au code Saturne.
DOWNLOAD (PDF):
[DOCFr06] M.V.G. De Morais (2006) MODELAGENS NUMÉRICAS PELO MÉTODO DOS ELEMENTOS FINITOS EM PROBLEMAS DE INTERAÇÃO FLUIDO-ESTRUTURA(in french), Docteur en Sciences Mecaniques, Université d'Evry du val d'Essonne, FRANCE;
BIBLIOGRAPHIE PRODUCTION:
[JFS07] M.V.G. De Morais, R.-J. Gibert, F. Baj, J.-P. Magnaud (2007) NUMERICAL ANALYSIS OF FLUID-ELASTIC INSTABILITY IN A SQUARE TUBE BUNDLE - ALE AND TRANSPIRATION METHODS, Journal of Fluids and Structure, under submition.
[LAJSS07] M.V.G. De Morais, F. Baj, R.-J. Gibert, J.-P. Magnaud (2007) NUMERICAL INERTIA AND DAMPING COEFFICIENTS DETERMINATION OF A TUBE-BUNDLE IN INCOMPRESSIBLE VISCOUS LAMINAR FLUID, Latin American Journal of Solids and Structure, Volume 4(3), pp. 179-202, ISSN 1679-7825.
[PVP06] M.V.G. De Morais, R.-J. Gibert, F. Baj, J.-P. Magnaud (2006) NUMERICAL STUDY OF A TUBE BUNDLE VIBRATIONS IN CROSS-FLOWS - ALE AND TRANSPIRATION METHODS -, Proceedings of ASME PVP 2006 / ICPVT-11 CONFERENCE Pressure Vessels Technologies for the Global Community, July 23-27, Vancouver, Canada, PVP2006-ICPVT11-94008.
[CIL05] M.V.G. De Morais, F. Baj, R.-J. Gibert, J.-P. Magnaud (2005) NUMERICAL INERTIA AND DAMPING COEFFICIENTS DETERMINATION OF A TUBE-BUNDLE IN INCOMPRESSIBLE VISCOUS LAMINAR FLUID, Proceedings of the XXVI Iberian Latin-American Congress on Computational Methods in Engineering (CILAMCE 2005), Guarapari, Espirito Santo, Brazil, 19th–21st October 2005, CD-ROM Paper CIL05-230.
DOCUMENTs ADMINISTRATIFs:
[CR_ScUEVE00] Compte Rendu du Conseil Scientific de Université d'Evry Val d'Essonne (2000) Dispense de DEA au doctorant M.Girao de Morais conforme Diplome niveau DEA de Faculté de Técnologie de Brasilia, CR06.11-001.