Étude expérimentale des vibrations induites par l’écoulement diphasique dans un faisceau de tubes et simulation numérique de scénarios complexes d’écoulement diphasique

Les vibrations induites par l'écoulement diphasique sont un phénomène qui se produit lorsque des écoulements diphasiques gaz-liquide rencontrent des systèmes mécaniques tels que des tuyaux, des tubes ou des échangeurs de chaleur. Cette interaction dynamique entre l'écoulement du fluide et les composants structuraux peut entraîner divers types de vibrations, pouvant avoir des effets dangereux sur l'intégrité et les performances du système. Comprendre et atténuer les vibrations induites par l'écoulement diphasique est essentiel pour garantir le fonctionnement sûr et fiable des processus industriels impliquant des écoulements multiphasiques. Pour aborder les complexités des vibrations induites par l'écoulement transversal, il est essentiel de combler le fossé entre les modèles théoriques et le comportement réel du monde. Bien qu'il y ait eu des informations précieuses tirées des campagnes expérimentales existantes, les subtilités de l'écoulement diphasique transversal et de la réponse des tubes aux vibrations nécessitent une exploration plus approfondie. Par conséquent, il existe un besoin constant de nouvelles campagnes expérimentales spécifiquement conçues pour approfondir les complexités des vibrations induites par l'écoulement diphasique transversal. De telles campagnes devraient se concentrer sur la collecte de données pouvant être utilisées pour valider les modèles de computational fluid dynamics (CFD), qui sont des outils indispensables pour prédire des schémas d'écoulement complexes et des réponses aux vibrations dans ces systèmes. En combinant les données expérimentales avec des simulations avancées de CFD, les chercheurs peuvent développer des modèles prédictifs plus précis et, par conséquent, améliorer la sécurité, l'efficacité et la durée de vie des composants structuraux. Par conséquent, l'objectif du présent travail est d'avancer dans cette direction. L'objectif principal de cette étude est de comprendre les mécanismes fondamentaux d'excitation des vibrations se produisant dans les faisceaux de tubes sous un écoulement diphasique transversal. Plus précisément, l'objectif est de réaliser des mesures méticuleuses des caractéristiques de l'écoulement diphasique et des vibrations des tubes. Pour ce faire, une nouvelle installation d'essai nommée TREFLE (Two-phase flow REgimes and FLuidstructure interaction Experimental facility) a été installée en 2022. L'une des finalités de TREFLE est également de recueillir des données de haute qualité, de qualité CFD, pour la validation des outils de simulation CFD multiphasique. Organisé en quatre parties, le manuscrit commence par décrire la conception de l'installation TREFLE et son processus de conception, qui est le résultat d'une étude de la littérature et est soutenu par des simulations CFD et une analyse par éléments finis. Il passe ensuite à la caractérisation expérimentale de l'écoulement diphasique dans les régimes d'écoulement à bulles et intermittents à travers un faisceau de tubes, ainsi qu'à l'analyse de la réponse des tubes aux vibrations. Ces campagnes expérimentales se concentrent en particulier sur les conditions d'entrée de l'écoulement diphasique et son développement à l'intérieur du faisceau de tubes, révélant des découvertes intéressantes sur la manière dont les conditions d'entrée affectent le développement de l'écoulement diphasique dans le faisceau. La réponse des vibrations des tubes peut être liée aux caractéristiques de l'écoulement diphasique, fournissant des informations précieuses sur la manière dont le régime d'écoulement peut influencer les caractéristiques des vibrations. Enfin, le manuscrit présente et discute les simulations effectuées à l'aide du code CFD Neptune basé sur les campagnes expérimentales susmentionnées. Les simulations numériques contribuent à la compréhension de la physique derrière l'écoulement diphasique et révèlent des découvertes intrigantes concernant l'effet des conditions aux limites.