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

Résumé : 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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Thèse
Engineering Sciences [physics]. Ecole Polytechnique, 2015. English
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Contributeur : Vilas Shinde <>
Soumis le : mardi 12 janvier 2016 - 19:14:09
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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. 〈tel-01254523v2〉

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