1/29/2009 Outline Flow-Induced Vibration in Two-Phase Flows: Some Interesting Phenomena � Introduction � Void Fraction: Flow Regime � Vibration of Piping Elements by � Fluidelastic Instability in Axial Flow Michel J. Pettigrew � Quasi-Periodic Forces in Cross Flow � Fluidelastic Instability in Cross Flow BWC / AECL / NSERC Chair of Fluid-Structure Interaction � Damping Mechanisms Department of Mechanical Engineering � Concluding Remarks École Polytechnique, Montréal 1 2 Recirculating Type Nuclear Recirculating Type Nuclear Steam Generator Steam Generator Introduction 3 4 Outlet Feeders in CANDU Reactor Flow Velocity Vectors in the Central Plane of a Typical Steam Generator U-bend Region 5 6 1
1/29/2009 Two-Phase Flow Regime Two-Phase Flow: Void Fraction Flow Regime Bubbly Slug Annular Dispersed-Annular Wispy-annular Churn 7 8 Fiber-Optic Probe Two-Phase Flow Regime V oid Fraction 1 � ε ( x , T ) = τ i T 9 i 10 Bubble Velocity and Bubble Size Fiber-Optic Probe ∆ h tips U ( x , t ) = ∆ h tips i Calibration in ( 2 ) − ( 1 ) T T i i Two-Phase � (t) Flow ( 1 ) ( 2 ) τ τ i i 1 Probe 1 Probe 2 d 1i =U i (x,t) τ 1i d 2i =U i (x,t) τ 2i 0 ( 1 ) ( 2 ) T T i i 11 12 2
1/29/2009 Experimental Set-up and Test Procedure Air-Water Loop Vibration of Piping Elements Fig. 1 – Air-Water Loop 13 14 Flow Patterns Corresponding to Test Conditions (from [Taitel et al. 1980]) Fig. 2 – Flow Patterns Corresponding to Conditions of Table 2, from Taitel et al. [8] 15 16 Elbow Geometry Position of Force Transducer Table 2 – Dimensions of U-Tubes Tube Height R 0 / D f 1 (Hz) f 2 (Hz) A 0.87 0.5 9.8 59.0 B 1.45 0.5 4.5 26.0 C 1.46 2.0 4.5 22.5 D 1.42 5.0 4.2 23.8 E 1.37 7.2 4.3 23.0 17 18 3
1/29/2009 Normalized PSD of Force vs Dimensionless Typical Force Spectra for Tube E Frequency for All Tubes at � =50% A A B B C C D D E E Tube A Tube B Tube C Tube D Tube E 19 20 Vibration Prediction Response, Force and Bubble Passage Experimental Correlation for Prediction of Frequency Spectra Normalized Force PSDs 21 22 Expérimentation Montage Fluidelastic Instability in Axial Flow 23 24 4
1/29/2009 Résultats et Analyse Résultats et Analyse Nouveau Modèle (tube B, L=0.547m) 16 • Modes d’instabilité 14 – Observation des 12 modes 1 à 4 pour le 10 u c tube C L=0.693m 8 ue 6 ua – 1 er Mode 4 ue expérimentaux 2 ua expérimentaux 0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 taux de vide 25 26 Résultats et Analyse Résultats et Analyse • Modes d’instabilité • Modes d’instabilité – Observation des – Observation des modes 1 à 4 pour le modes 1 à 4 pour le tube C L=0.693m tube C L=0.693m – 1 er Mode – 1 er Mode 27 28 Résultats et Analyse Résultats et Analyse • Modes d’instabilité • Modes d’instabilité – Observation des – Observation des modes 1 à 4 pour le modes 1 à 4 pour le tube C L=0.693m tube C L=0.693m – 1 er Mode – 1 er Mode 29 30 5
1/29/2009 Résultats et Analyse Résultats et Analyse • Modes d’instabilité • Modes d’instabilité – Observation des – Observation des modes 1 à 4 pour le modes 1 à 4 pour le tube C L=0.693m tube C L=0.693m – 1 er Mode – 1 er Mode 31 32 Résultats et Analyse Résultats et Analyse • Modes d’instabilité • Modes d’instabilité – Observation des – Observation des modes 1 à 4 pour le modes 1 à 4 pour le tube C L=0.693m tube C L=0.693m – 1 er Mode – 1 er Mode 33 34 Résultats et Analyse Résultats et Analyse • Modes d’instabilité • Modes d’instabilité – Observation des – Observation des modes 1 à 4 pour le modes 1 à 4 pour le tube C L=0.693m tube C L=0.693m – 1 er Mode – 1 er Mode 35 36 6
1/29/2009 Résultats et Analyse Résultats et Analyse • Modes d’instabilité • Modes d’instabilité – Observation des – Observation des modes 1 à 4 pour le modes 1 à 4 pour le tube C L=0.693m tube C L=0.693m – 1 er Mode – 1 er Mode 37 38 Résultats et Analyse Résultats et Analyse • Modes d’instabilité • Modes d’instabilité – Observation des – Observation des modes 1 à 4 pour le modes 1 à 4 pour le tube C L=0.693m tube C L=0.693m – 1 er Mode – 1 er Mode 39 40 Résultats et Analyse Résultats et Analyse • Modes d’instabilité • Modes d’instabilité – Observation des – Observation des modes 1 à 4 pour le modes 1 à 4 pour le tube C L=0.693m tube C L=0.693m – 1 er Mode – 1 er Mode 41 42 7
1/29/2009 Résultats et Analyse Résultats et Analyse • Modes d’instabilité • Modes d’instabilité – Observation des – Observation des modes 1 à 4 pour le modes 1 à 4 pour le tube C L=0.693m tube C L=0.693m – 1 er Mode – 1 er Mode 43 44 Résultats et analyse Résultats et Analyse • Modes d’instabilité • Modes d’instabilité – Observation des • Observation des modes modes 1 à 4 pour 1 à 4 pour le tube C le tube C L=0.693m L=0.693m – 1 er Mode • 1er Mode 1er Mode 1er Mode • • 4e Mode 45 46 Résultats et Analyse Résultats et Analyse • Modes d’instabilité • Modes d’instabilité • Observation des modes • Observation des modes 1 à 4 pour le tube C 1 à 4 pour le tube C L=0.693m L=0.693m • 1er Mode 1er Mode 1er Mode • 1er Mode 1er Mode 1er Mode • • 4e Mode • 4e Mode 47 48 8
1/29/2009 Résultats et Analyse Résultats et Analyse • Modes d’instabilité • Modes d’instabilité • Observation des modes • Observation des modes 1 à 4 pour le tube C 1 à 4 pour le tube C L=0.693m L=0.693m • 1er Mode 1er Mode 1er Mode • 1er Mode 1er Mode 1er Mode • • 4e Mode • 4e Mode 49 50 Résultats et Analyse Résultats et Analyse • Modes d’instabilité • Modes d’instabilité • Observation des modes • Observation des modes 1 à 4 pour le tube C 1 à 4 pour le tube C L=0.693m L=0.693m • 1er Mode 1er Mode 1er Mode • 1er Mode 1er Mode 1er Mode • • 4e Mode • 4e Mode 51 52 Résultats et Analyse Résultats et Analyse • Modes d’instabilité • Modes d’instabilité • Observation des modes • Observation des modes 1 à 4 pour le tube C 1 à 4 pour le tube C L=0.693m L=0.693m • 1er Mode 1er Mode 1er Mode • 1er Mode 1er Mode 1er Mode • • 4e Mode • 4e Mode 53 54 9
1/29/2009 Résultats et Analyse Résultats et Analyse • Modes d’instabilité • Modes d’instabilité • Observation des modes • Observation des modes 1 à 4 pour le tube C 1 à 4 pour le tube C L=0.693m L=0.693m • 1er Mode 1er Mode 1er Mode • 1er Mode 1er Mode 1er Mode • • 4e Mode • 4e Mode 55 56 Résultats et Analyse Résultats et Analyse • Modes d’instabilité • Modes d’instabilité • Observation des modes • Observation des modes 1 à 4 pour le tube C 1 à 4 pour le tube C L=0.693m L=0.693m • 1er Mode 1er Mode 1er Mode • 1er Mode 1er Mode 1er Mode • • 4e Mode • 4e Mode 57 58 Résultats et Analyse Résultats et Analyse • Modes d’instabilité • Modes d’instabilité • Observation des modes • Observation des modes 1 à 4 pour le tube C 1 à 4 pour le tube C L=0.693m L=0.693m • 1er Mode 1er Mode 1er Mode • 1er Mode 1er Mode 1er Mode • • 4e Mode • 4e Mode 59 60 10
1/29/2009 Résultats et Analyse Résultats et Analyse • Modes d’instabilité • Modes d’instabilité • Observation des modes • Observation des modes 1 à 4 pour le tube C 1 à 4 pour le tube C L=0.693m L=0.693m • 1er Mode 1er Mode 1er Mode • 1er Mode 1er Mode 1er Mode • • 4e Mode • 4e Mode 61 62 Résultats et Analyse Résultats et Analyse • Modes d’instabilité • Modes d’instabilité • Observation des modes • Observation des modes 1 à 4 pour le tube C 1 à 4 pour le tube C L=0.693m L=0.693m • 1er Mode 1er Mode 1er Mode • 1er Mode 1er Mode 1er Mode • • 4e Mode • 4e Mode 63 64 Résultats et Analyse • Modes d’instabilité Quasi-Periodic Forces in Cross Flow • Observation des modes 1 à 4 pour le tube C L=0.693m • 1er Mode 1er Mode 1er Mode • 4e Mode 65 66 11
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