Published November 8, 2018 | Version v1
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Numerical simulation of two-phase flow induced vibration

Description

In nuclear power plants, steam generator tubes vibrate because of the steam/water cross flows. In order to understand this phenomenon, reduced scale experiments are performed. Numerical simulations have shown their ability to accurately reproduce the vibration induced by a single-phase flow in a tube bundle. The aim of the present work is to do the same with two-phase flow and to characterize the effect of the physical mixture properties on vibration. To do so, a CFD code based on a two-fluid approach is used. A 'discrete forcing' method is implemented in order to allow solid body motion in a two-phase flow. The validation is performed with simple and industrial cases using experimental data and theoretical results. Using an existing implicit algorithm, a fluid-structure coupling based on the developed interface tracking method is implemented. Validated for single and two phase flows, it is now possible to have a solid motion induced by fluid forces. The different numerical models dedicated to two phase flows are then evaluated on a freon/freon flow across an inclined tube bundle. The use of a multi-regime model is required. In order to investigate the role of the different physical properties on the vibration, three simple studies are performed. Finally, the industrial application, a freon/water flow across a square pitch tube bundle, is performed. First, it is compared to a steam water flow in order to characterize the discrepancies when we are using a modeling mixture. Then, the vibration induced by single and two-phase flow is reproduced by the developed method on feasibility test cases. (author)

Abstract (French)

Les tubes des generateurs de vapeur des centrales nucleaires vibrent sous l'effet d'ecoulement eau/vapeur. Pour apprehender ce phenomene et le comprendre, des experiences a echelles reduites sont realisees. La simulation numerique a montre son habilite a reproduire l'interaction fluide-structure sur ce type de geometrie pour des ecoulements monophasiques. L'objectif est desormais de faire de meme en ecoulement diphasique et de caracteriser les propri etes physiques du melange liquide/gaz influant sur la vibration. Pour se faire, un code CFD avec une approche bifluide est utilise. Une methode dite de 'Discret Forcing' est implementee pour permettre le mouvement impose de corps solides au sein d'un ecoulement a plusieurs phases. Celle-ci est alors validee sur des cas simples et integraux avec une comparaison systematique a des resultats experimentaux ou theoriques. En se basant sur un algorithme implicite existant dans la litterature, un couplage fluide-structure utilisant cette methode de suivi d'interface est implemente. Valide sur des cas monophasiques et diphasiques, ce couplage offre desormais la possibilite de deplacer un solide en fonction des forces fluides diphasiques qui lui sont appliquees. Les differentes methodes numeriques presentes dans NEPTUNE CFD sont ensuite evaluees pour un ecoulement freon/freon au travers d'un faisceau de tubes inclines. La necessite d'utiliser un modele dit 'multi-regime' est mis en avant. Afin de determiner l'influence sur l'ecoulement des differentes proprietes physiques d'un melange diphasique, plusieurs cas d'etudes simples sont realises. Finalement, l'application industrielle cible, un ecoulement eau/freon dans un faisceau de tubes a pas carre, est simulee et comparee a un ecoulement en conditions reelles (eau/vapeur a 70 bar). Les vibrations induites par ecoulement monophasique puis diphasique sont correctement reproduites sur des cas dit de 'faisabilite'. (auteur)

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Original title (English)
Modelisation de la reponse dynamique d'une paroi solide mise en vibration par un ecoulement fluide diphasique

Publishing Information

Imprint Pagination
152 p.
Report number
FRNC-TH--14182

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Notes
[130 refs.]; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses