Two-phase damping for internal flow: Physical mechanism and effect of excitation parameters

Amortissement diphasique pour un écoulement interne~: mécanisme physique et effet des paramètres d'excitation

C Charreton (1) , Cédric Béguin (1) , A Ross (2, 1) , Stéphane Etienne (1) , M.J. Pettigrew (1)

1 Département de Génie Mécanique
2 LAVA - Laboratoire d'Analyse Vibratoire et Acoustique

Two-phase flow induced-vibration is a major concern for the nuclear industry. This paper provides experimental data on two-phase damping that is crucial to predict vibration effects in steam generators. An original test section consisting of a tube subjected to internal two-phase flow was built. The tube is supported by linear bearings and compression springs allowing it to slide in the direction transverse to the flow. An excitation system provides external sinusoidal force. The frequency and magnitude of the force are controlled through extension springs. Damping is extracted from the frequency response function of the system. It is found that two-phase damping depends on flow pattern and is fairly proportional to volumetric fraction for bubbly flow. Measurements are completed by the processing of high-speed videos which allow to characterize the transverse relative motion of the gas phase with respect to the tube for bubbly flow. It is shown that the bubble drag forces play a significant role in the dissipation mechanism of two-phase damping.

Les vibrations induites par les écoulements diphasiques sont une préoccupation majeure pour l'industrie nucléaire. Cet article présente des expériences de mesure de l’amortissement diphasique. La connaissance de l’amortissement diphasique est cruciale pour prédire les vibrations dans les générateurs de vapeur. Une section d’essai composée d'un tube de section carré soumis à écoulement interne diphasique a été construite. Le tube est soutenu par des roulements linéaires et des ressorts de compression lui permettant de se déplacer dans la direction transversale à l'écoulement. Un système d'excitation fournit une force sinusoïdale externe. La fréquence et l'amplitude de la force excitatrice forces sont contrôlées par des ressorts d'extension. L'amortissement est extrait de la fonction de transfert du système. Il est constaté que l'amortissement diphasique dépend du régime d'écoulement. Pour un écoulement à bulles, l'amortissement diphasique est quasiment proportionnel à la qualité volumétrique. De plus un traitement des vidéos à haute vitesse ont permis de caractériser le mouvement relatif transversale de la phase gazeuse par rapport au tube pour un écoulement à bulles. Il est montré que la trainée de la bulle joue un rôle essentiel dans le mécanisme de d'amortissement diphasique.

Mots clés: Two-phase; damping; flow pattern; bubble motion

Domaines: Mécanique des fluides [physics.class-ph]

C Charreton, Cédric Béguin, A Ross, Stéphane Etienne, M.J. Pettigrew. Two-phase damping for internal flow: Physical mechanism and effect of excitation parameters. Journal of Fluids and Structures, 2015, 56, pp.56-74. ⟨10.1016/j.jfluidstructs.2015.03.022⟩. ⟨hal-01223577⟩