Modélisation de l`instabilité fluidélastique d`un faisceau de tubes

UNIVERSITÉ DE MONTRÉAL
MODÉLISATION DE L’INSTABILITÉ FLUIDÉLASTIQUE D’UN FAISCEAU DE TUBES
SOUMIS À UN ÉCOULEMENT DIPHASIQUE TRANSVERSE
TEGUEWINDE SAWADOGO
DÉPARTEMENT DE GÉNIE MÉCANIQUE
ÉCOLE POLYTECHNIQUE DE MONTRÉAL
THÈSE PRÉSENTÉE EN VUE DE L’OBTENTION
DU DIPLÔME DE PHILOSOPHIÆ DOCTOR
(GÉNIE MÉCANIQUE)
DÉCEMBRE 2012
© Teguewinde Sawadogo, 2012.

UNIVERSITÉ DE MONTRÉAL
ÉCOLE POLYTECHNIQUE DE MONTRÉAL
Cette thèse intitulée :
MODÉLISATION DE L’INSTABILITÉ FLUIDÉLASTIQUE D’UN FAISCEAU DE TUBES
SOUMIS À UN ÉCOULEMENT DIPHASIQUE TRANSVERSE
présentée par : SAWADOGO Teguewinde
en vue de l’obtention du diplôme de : Philosophiæ Doctor
a été dûment acceptée par le jury d’examen constitué de :
M. BARON Luc, Ph.D., président
M. MUREITHI Njuki-William, Ph.D., membre et directeur de recherche
M. PETTIGREW Michel, post.grad.dipl., membre et codirecteur de recherche
M. GOSSELIN Frédérick, Ph.D., membre
M. HASSAN Marwan, Ph.D., membre

iii
DÉDICACE
Je dédie ce travail à mon père, Arzouma Sawadogo (1944-2011),
Toi qui m’a appris par l’exemple, le dur labeur ;
Toi qui n’a jamais été satisfait d’un travail presque bien fait ;
Comme le suggère Biraogo Diop, j’écouterai ton souffle ;
“Dans l’arbre qui frémit, dans le bois qui gémit,
Et dans l’eau qui coule et dans l’eau qui dort”.

iv
REMERCIEMENTS
J’aimerais saisir cette occasion pour remercier chaleureusement mon directeur de recherche,
le Professeur Njuki Mureithi pour son soutien, ses encouragements et son inspiration tout au long
de ce doctorat. Je remercie également mon codirecteur, le Professeur Michel Pettigrew pour avoir
partagé avec moi sa très riche expérience dans l’analyse des problèmes des générateurs de va-
peur. Je leur suis reconnaissant pour m’avoir offert l’opportunité d’apprendre au sein de ce cadre
merveilleux qu’est le laboratoire d’Interaction Fluide-Structure (IFS) de l’École Polytechnique de
Montréal. Je remercie également le Professeur Stéphane Étienne pour les discussions utiles sur le
sujet étudié dans cette thèse.
J’aimerais aussi remercier le personnel de la Chaire de Recherche en Interaction Fluide-Structure
(IFS) pour leur assistance technique dans la réalisation de ce projet. Je remercie en particulier
Thierry Lafrance pour m’avoir fait profiter de son expérience dans la conception et le montage des
sections d’essai. Je remercie tout aussi particulièrement Bénédict Besner pour m’avoir aidé dans
l’installation et la configuration des appareils électroniques ainsi que dans la conception des pro-
grammes Labview ayant servi à l’acquisition des données. Je remercie aussi Nour Aimene pour
l’installation des jauges de contraintes.
Enfin, j’aimerais remercier le Conseil de Recherches en Sciences Naturelles et en Génie du
Canada (CRSNG) et les partenaires industriels de la Chaire IFS, Babcock & Wilcox Canada (BWC)
et Énergie Atomique du Canada Limité (ÉACL) pour leur soutien financier. Le développement du
logiciel mentionné dans cet ouvrage s’est fait en collaboration avec BWC.

v
RÉSUMÉ
Cette étude porte sur la modélisation de l’instabilité fluidélastique induite par les écoulements
diphasiques dans les faisceaux de tubes. La problématique se pose au sein des faisceaux de tubes
des générateurs de vapeur des centrales nucléaires qui comportent des milliers de tubes assurant
l’échange d’énergie entre le réacteur et les turbines qui produisent l’électricité. Ces tubes sont
immergés dans un écoulement diphasique constitué d’un mélange eau-vapeur.
A la suite de cette immersion, les tubes sont soumis à des excitations induites par l’écoulement
diphasique. Les mécanismes d’excitations ont été identifiés comme étant : les forces de turbulence,
les forces résultant des tourbillons alternées, les forces liées à la résonance acoustique, les forces
quasi-périodiques et enfin les forces fluidélastiques. Les forces fluidélastiques sont différentes par
nature des autres mécanismes d’excitation car elles sont couplées au mouvement de la structure. De
plus, lorsque la vitesse de l’écoulement devient suffisamment grande, et dépendant de la fréquence
du tube, de la configuration du faisceau, et de l’effectivité des supports, les forces fluidélastiques
peuvent croître avec le mouvement de la structure, provoquant ainsi une instabilité appelée instabi-
lité fluidélastique. L’amplitude des vibrations augmente alors rapidement, pouvant ainsi conduire à
l’endommagement des tubes par fatigue ou leur usure par frottement.
En l’état actuel des connaissances, la durée de vie des tubes est prédite par calcul de puissances
d’usure. Ce calcul est effectué en simulant la réponse du tube aux forces d’excitation et en extrayant
les forces de contact et les déplacements au niveau des supports. Comme les forces fluidélastiques
constituent le mécanisme le plus sévère, leur modélisation physique est nécessaire. Le modèle le
plus utilisé actuellement est le modèle quasi-statique de Connors mais ce modèle est connu pour
sous-estimer la vitesse critique d’instabilité en plus de présenter peu de sens physique. Plusieurs
autres modèles théoriques existent mais tous ont été développés pour des écoulements monopha-
siques alors que les faisceaux de tube des générateurs de vapeurs opèrent au sein d’écoulements
diphasiques.
L’objectif principal de ce projet de recherche est donc d’étendre les modèles d’études de l’in-
stabilité fluidélastique aux écoulements diphasiques, de les valider, puis de développer un code de
simulation des vibrations induites par les écoulements diphasiques au sein des faisceaux de tubes.
Le modèle quasi-stationnaire a fait l’objet d’une investigation étendue au cours de ce projet. Le