Study of a nonlinear system with shocks under broadband excitation : application to a steam generator tube

Etude d'un système non linéaire à chocs sous excitation large bande : application à un tube de générateur de vapeur

Thibaud Thenint (1)

1 MSSMat - Laboratoire de mécanique des sols, structures et matériaux

The steam generator is a heat exchanger and participates to the nuclear safety. Energy is transferred from the primary to the secondary fluid through many U-tubes maintained vertically by support plates. A sludge deposit tends to modify the boundary conditions and the secondary fluid flow. A fluid-elastic instability can then occur and lead to quick tube ruin. This thesis seeks a better understanding of the effect of contact nonlinearity on the dynamics of a tube in-air intermittently impacting the support plates and its consequences in regards with instability. The use of discretized contact conditions with circular obstacles distributed over the thickness of the plates and the use of enriched reduction bases allow quick and relevant nonlinear numerical simulations. These simulations are well correlated with experimental measurements and valid even with strong nonlinearity or negative modal damping. The evolution of power spectral densities (PSD) with growing excitation amplitude is analyzed: padding of the anti-resonances, peak shift and spread. It is then shown that an apparent stiffness associated with a permanent bilateral contact is pertinent to describe these transitions. In the case of an unstable linear system, one demonstrates that the nonlinearity keeps the responses bounded or stabilised, thus paving the way for future work with real or simulated fluid flows.

Le générateur de vapeur a un rôle d’échangeur thermique et de sûreté nucléaire. L’énergie du fluide primaire est transférée au circuit secondaire via un faisceau de tubes en U soutenus par des plaques entretoise. Un dépôt modifie les conditions de liaison et l’écoulement du fluide secondaire. Le tube peut alors entrer en instabilité fluide-élastique, qui aboutit à une ruine rapide. Cette thèse vise à mieux comprendre l’effet de la non-linéarité de contact sur la dynamique d’un tube en air rentrant en contact intermittent avec les entretoises et ses conséquences en présence d’une instabilité. La discrétisation des conditions de contact entre le tube et les plaques, par des obstacles circulaires répartis sur l’épaisseur, ainsi que l’utilisation de bases de réductions enrichies permettent des résolutions numériques non-linéaires fiables et rapides, numériquement valides pour de fortes non-linéarités et des amortissements modaux négatifs, et bien corrélées avec les mesures correspondantes. On analyse les évolutions du contenu spectral (DSP) en fonction de l’amplitude d’excitation : remplissage des anti-résonances, décalage et étalement des pics ; puis on met en évidence la pertinence d’une notion de raideur apparente d’un contact bilatéral permanent qui permet de décrire ces transitions. En présence d’un système libre instable, on montre enfin que la non-linéarité conduit à des réponses bornées ou stabilisées ouvrant ainsi la voie vers une extension des travaux réalisés vers des applications avec fluide réel ou simulé.

Mots clés: Nonlinear system; Broadband excitation; Equivalent system

Mots clés: Système non-linéaire; Excitation large bande; Système équivalent

Domaines: Mécanique [physics.med-ph]

Thibaud Thenint. Etude d'un système non linéaire à chocs sous excitation large bande : application à un tube de générateur de vapeur. Mécanique [physics.med-ph]. Ecole Centrale Paris, 2011. Français. ⟨NNT : 2011ECAP0053⟩. ⟨tel-00677440⟩