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Thèse Année : 2021

Prediction of non-linear responses and bifurcations of impacting systems : Contribution to the understanding of steam generator vibrations

Prédiction des régimes non-linéaires et bifurcations des systèmes à impacts : contribution à l'étude des tubes de GV

Résumé

Within the Steam Generators (SG) of pressurised water reactors, heat-exchanger tube arrays are the key component allowing the efficient transfer of heat between the primary and secondary flows, of which the former is heated by nuclear reactions at the core and the later is destined to be evaporated. As a consequence, the precise prediction of the tubes' dynamical behaviour is crucial for the accurate estimation of component life and to ensure a safe operation. However, this task is far from being trivial, given the multi-physics (flow-induced vibrations resulting from fluidelastic instability) and strongly nonlinear (intermittent tube-tube ot tube-support contacts) nature of the problem. This last aspect, in particular, implies that vibration regimes observed in practice may be strongly dependent on the system's parameters, such as: mean flow velocity, tube excentricity ans contact stiffness, among others. Thus, the two main objectives of the present thesis are the following: 1. To develop the numerical methods necessary for the efficient and thorough analysis of the problem at hand, and 2. To apply these methods to simplified systems showing a phenomenology similar to that observed in real SG tube vibrations. Firstly, the existing numerical continuation algorithms based on the Harmonic Balance Method (HBM) are extended. Hence, a complete bifurcation analysis is achieved for periodic and quasi-periodis responses of nonlinear systems of quite diverse nature, and in particular for those involving time-delays. Then, the results of in-depth analyses obtained for the chosen test cases are presented. These clearly showcase the complex and rich dynamical behaviour of impacting systems, thus at the same time showing the robustness of the proposed methods and shedding light on the main aspects of SG vibrations. This thesis was conducted at the Contact and Structure Mechanics Laboratory, UMR CNRS 5259, INSA Lyon, and at the Dynamics Laboratory (DEN/DANS/DM2S/SEMT/DYN) of CEA Paris-Saclay.
Dans les Générateurs de Vapeur (GV) des réacteurs nucléaires à eau pressurisée, le composant clé est un assemblage de tubes cintrés dont l'objectif est d'assurer l'échange de chaleur entre les écoulements du circuit primaire -en contact avec le réacteur- et secondaire -destiné à être évaporé-. En conséquence, la prédiction précise du comportement dynamique de ces tubes est cruciale pour bien estimer la durée de vie des équipements et permettre un fonctionnement sécurisé. Or, cette tâche est loin d'être triviale, en raison de la nature multi-physique du problème (vibrations induites par une instabilité du type fluide-élastique) et de son caractère fortement non-linéaire (contacts frottants entre les tubes et leur supports). Ce dernier aspect, en particulier, implique que les réponses susceptibles d'être observées dans la pratique sont fortement sensibles aux valeurs des paramètres du système : vitesse moyenne de l'écoulement, excentricité des tubes, raideur de choc, parmi d'autres. Les deux objectifs principaux de cette thèse sont : 1. développer les méthodes numériques nécessaires pour permettre un traitement efficace et robuste de ce problème, et 2. d'appliquer ces méthodes à des systèmes simplifiés dont la phénoménologie est représentative des vibrations des tubes de GV. Dans un premier temps, on étend notamment les algorithmes existants de continuation basés sur la méthode de la balance harmonique (HBM). Ainsi, une analyse complète des bifurcations peut être réalisée sur les réponses périodiques et quasi-périodiques pour des systèmes mécaniques non-linéaires de natures très diverses, et en particulier pour ceux faisant intervenir des termes à retard. Ensuite, les résultats des analyses approfondies menées sur les cas d'étude choisis sont présentés. Ceux-ci mettent en évidence la dynamique extrêmement riche des systèmes à impacts, permettant à la fois de démontrer la robustesse des méthodes développées et d'avancer dans la compréhension des vibrations des tubes de GV. La thèse a été réalisée au Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures, UMR CNRS 5259, INSA Lyon, et au laboratoire d'Etudes de Dynamique (DEN/DANS/DM2S/SEMT/DYN) du CEA Paris-Saclay.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03406785 , version 1 (28-10-2021)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03406785 , version 1

Citer

Roberto Alcorta Galvan. Prediction of non-linear responses and bifurcations of impacting systems : Contribution to the understanding of steam generator vibrations. Mechanics [physics.med-ph]. Université de Lyon, 2021. English. ⟨NNT : 2021LYSEI032⟩. ⟨tel-03406785⟩
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