Fluidelastic instability in heat exchanger tube arrays and a Galerkin-free model reduction of multiphysics systems - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 2015

Fluidelastic instability in heat exchanger tube arrays and a Galerkin-free model reduction of multiphysics systems

Instabilités fluide-élastique dans l'échangeur de chaleur faisceaux de tubes et une réduction de modèle sans-Galerkin des systèmes multiphysiques

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Abstract

Heat exchangers are widely used in the power generation industries. The cross-flow type of heat exchangers are more common. The rate of heat transfer is enhanced by operating the heat exchangers at higher flow rates by means of the increased flow turbulence. Although, the high flow rate operations are favoured, there are side effects in terms of the flow-induced vibrations. In the last few decades, the topic (flow induced vibrations in heat exchanger tube bundles) is studied extensively, especially in order to understand the fluidelastic vibration. The preventive measures can be taken in other types of vibration mechanisms, such as the vortex induced vibrations and the acoustic resonance in tube bundles. The turbulence induced vibrations generally take long term to deteriorate the performance of heat exchangers, hence it involves a lesser risk of immediate damage to the heat exchangers. The failure due to the fluidelastic instability occurs suddenly and it can pose a serious risk in the plant operations. Besides the devastating nature of the fluidelastic instability, it is not well understood yet. In the first part of this thesis, the fluidelastic instability is explored by means of performing numerical simulations. The flow induced vibrations in the heat exchanger tube bundles are reviewed historically. The other mechanisms of vibrations, namely, vortex induced vibrations, turbulent buffeting and acoustic resonance in the tube arrays are briefed. In addition, the theoretical models of the fluidelastic instability are revised in order to understand the different approaches used to model the instability. Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations are performed, first by using the Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes (URANS) approach of modeling the flow turbulence, in order to verify the capability of URANS models to predict the instability thresholds dynamically. Secondly, the transient nature of fluidelastic instability is investigated by means of the Large Eddy Simulations (LES) approach of the turbulence modeling. Although the LES approach is computationally expensive in comparison with the URANS approach, the dynamic interactions between the interstitial fluid flow and a single tube from an in-line tube bundle are well captured by the LES. The post-processing of the LES results is comprised of the dynamics of fluid forces acting on a single cylinder from an array, transient surface pressure profiles on the cylinder and the interstitial velocity flow fields as a consequence of the increasing flow velocity until the onset of fluidelastic instability. A mathematical model for the fluidelastic instability is developed based on the transient interaction between the interstitial flow through an in-line cylinders array and a single cylinder form the array. Although there are significant advances in the computers today, the Direct Numerical Simulations (DNS) of large dynamic systems are infeasible. Model reduction also known as Reduced-Order Modeling (ROM) has gained an importance in almost all fields of computational sciences. In the second part of the thesis, firstly, a short introduction to the model order reduction is provided. The Proper Orthogonal Decomposition (POD) and Galerkin projections are commonly used in model reduction of the fluid systems. Almost all reduced-order models derived from the traditional POD-Galerkin ROM require the stability enablers. A novel Galerkin-free approach for model reduction of the Navier-Stokes equations is proposed in this thesis. The method uses the periodicity of the POD time coefficients and a linear interpolation technique in order to construct the off-reference reduced solutions. A test case of the flow past a cylinder at low Reynolds numbers (Re ∼ 125) is used for the demonstration of the proposed ROM. In the formulation of the proposed Galerkin-free ROM, the variables of a dynamical system are treated independently. Therefore, the method can be conveniently extended for the multi-physics dynamical systems. Lastly, the method of Galerkin-free ROM is applied to a fluid-structure interaction problem, where the moving mesh is a part of the solution state vector. A test case of the vortex induced vibration in a cylinder at Reynolds number Re = 100 and the mass ratio as the controlling parameter is considered for the demonstration.
Les échangeurs de chaleur sont largement utilisés dans les industries de production d’énergie. Le type d’échangeurs de chaleur à flux croisés sont les plus fréquents. Le taux de transfert de chaleur est amélioré en faisant fonctionner les échangeurs de chaleur à des débits plus élevés au moyen de la turbulence d’écoulement accrue. Bien que, les opérations de débit élevé sont favorisés, il y des effets secondaires en termes de vibrations induites par l’écoulement. Dans les dernières décennies, le sujet (débit vibrations induites dans l’échangeur de chaleur des faisceaux de tubes) a été étudié en profondeur, en particulier afin de comprendre les vibrations fluide-élastique. Des mesures préventives peuvent être prises dans d’autres types de mécanismes de vibration, comme les vibrations induites par vortex et la résonance acoustique dans les faisceaux de tubes. Les vibrations induites par turbulence prennent généralement longtemps à détériorer les structures des échangeurs de chaleur, d’où elle implique un risque moindre de dommages immédiats aux échangeurs de chaleur. L’échec dû à l’instabilité fluide-élastique se produit dans une question d’heures et il peut poser un risque grave dans les opérations de l’usine; alors même que la nature dévastatrice. De l’instabilité fluide-élastique n’est pas encore bien comprise. Dans la première partie de cette thèse, l’instabilité fluide-élastique est explorée en utilisant des simulations numérique. Les vibrations induites par l’écoulement dans les faisceaux de tubes sont examinés historiquement. Les autres mécanismes de vibrations, à savoir, des vibrations induites par vortex, et par la turbulente et la résonance acoustique dans les fais- ceaux de tubes sont bien documentés. De plus, les modèles théoriques de l’instabilité fluide-élastique sont examinés. Les simulations de Mécanique des Fluides Numérique (MFN) ou en anglais Computational Fluid Dynamics (CFD) sont réalisées, d’abord en utilisant l’approache Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes (URANS) pour la modélisation de la turbulence, afin de vérifier la capacité des modèles de URANS à prédire les seuils d’instabilité dynamique. Deuxièmement, la nature transitoire de l’instabilité fluide-élastique est étudiée au moyen de la Simulation Grandes Échelles (Large Eddy Simulation LES) des structure turbulent. Bien que l’approche LES est chère en comparaison avec l’approche URANS, les interactions dy- namiques entre le flux de liquide interstitiel et un seul tube à partir d’un faisceau de tubes en ligne sont bien capturés par la LES. Le post-traitement des résultats LES composée de la dynamique des forces du fluide agissant sur un seul cylindre dans un groupe, les profils de pression sur le cylindre et les champs d’écoulement de vitesse interstitiels en augmentant la vitesse d’écoulement jusqu’à l’apparition de l’instabilité fluide-élastique. Un modèle mathématique pour l’instabilité fluide-élastique est développé sur la base de l’interaction transitoire entre le débit interstitiel à travers une gamme de cylindres en ligne et une seule forme de cylindre du faisceau. Bien qu’il y ait des progrès significatifs dans les capacités de calcul, la simulation numérique direct (Direct Numerical Simulation DNS) des grands systémes dynamique sont touhours infaisable. La Réduction de modèles aussi connue comme Reduced Order Modeling (ROM) a acquis une importance dans presque tous les domaines des sciences informatiques. Dans la deuxième partie de la thèse, d’une part, une introduction à la réduction de l’ordre de modèle est fournie. La décomposition en modes propres orthogonaux (Proper Orthogonal Decomposition POD) et les projections de type Galerkin sont couramment utilisées dans la réduction de modèle des écoulement de fluides. Presque tous les modèles d’ordre réduit provenant de la technique POD-Galerkin exigent des l’introduction de stabilisations. Une nouvelle approche de type “Galerkin-free" pour la réduction de modèle des équations de Navier-Stokes est proposée dans cette thèse. La méthode utilise la périodicité des coefficients temporelle de POD et une technique d’interpolation linéaire afin de construire des solutions d’ordre réduit. Le cas test de l’écoulement autour d’un cylindre à faible nombre de Reynolds (Re ∼ 125) est utilisé pour la démonstration de modéle d’ordre réduit proposé. Dans la formulation de modéle d’ordre réduit “Galerkin-free" POD, les variables d’un système dynamique sont traitées indépendamment. Par conséquent, la méthode peut être facile- ment étendue aux systèmes dynamiques multi-physiques. Enfin, la technique de Galerkin-free modéle d’ordre réduit est appliquée à un problème d’interaction fluide-structure, où la maille mobile fait partie du vecteur d’état de la solution. Un cas test de vibrations d’induite par vortex d’un cylindre pour un nombre de Reynolds de 100 avec le rapport de masse comme paramètre de contrôle est considéré pour la démonstration.
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Dates and versions

tel-01254523 , version 1 (12-01-2016)
tel-01254523 , version 2 (12-01-2016)

Identifiers

  • HAL Id : tel-01254523 , version 2

Cite

Vilas Shinde. Fluidelastic instability in heat exchanger tube arrays and a Galerkin-free model reduction of multiphysics systems. Engineering Sciences [physics]. Ecole Polytechnique, 2015. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01254523v2⟩
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