Vibrations under turbulent loading in cylindrical geometry with impinging inlets : Application to a pressurized water reactor vessel annular gap
Vibrations sous chargement turbulent en géométrie cylindrique avec admissions impactantes : Application à un espace annulaire de cuve de réacteur à eau pressurisée
Résumé
Pressurized water reactor vessels are prone to vibrations, due in particular to the flow in the gap between the vessel and the core barrel: understanding and controlling them is both a scientific and a safety issue.The conventional description of these vibrations is based on a reference fluctuating pressure spectrum, on longitudinal and circumferential correlation lengths, and on a modal forcing based on the joint acceptance integral. It assumes a homogeneous turbulent pressure on the inner cylinder surface, which is a priori not adapted to the industrial configuration, with three or four inlet branches.Using a coupled experimental-numerical approach, the aim is to quantify the consequences of this simplification and improve the representation of forcing, based on an elementary reference case consisting of two co-axial cylinders submitted to two impinging jets perpendicular to the cylinder axis.On a modular water mock-up built-up for that purpose, after characterizing the turbulent forcing with a fixed inner cylinder using fluctuating wall pressure sensors, the vibrations obtained by arranging the inner cylinder on flexible plates are analyzed: the strong inhomogeneity of convection velocities (between 0 and 4 m/s), as well as of fluctuating pressure spectra (several orders of magnitude depending on frequency) and of their correlation lengths (different evolutions with frequency and variations up to a factor two) numerically predicted, is actually observed, with a particularly remarkable calculation-test agreement.These LES simulation and test results thus constitute a well-documented reference test case for flow-induced vibrations in annular gap configurations with impinging inlets. It will be a basis for future numerical modelling and experimental mock-ups representing more complex configurations.
Les cuves de réacteurs à eau pressurisée subissent des vibrations, dues notamment à l’écoulement dans l'espace séparant la cuve de l’enveloppe de cœur : leur compréhension et leur maîtrise constituent un enjeu tant scientifique que de sûreté.La description conventionnelle de ces vibrations repose sur un spectre de pression fluctuante de référence, des longueurs de corrélation longitudinales et circonférentielles, et l’élaboration d’un chargement modal sur la base de l’intégrale de joint acceptance. Elle suppose une pression turbulente homogène sur la surface du cylindre interne, hypothèse a priori non adaptée à la configuration industrielle, avec la présence de trois ou quatre branches d'admission.Via une démarche couplée expérimentale – numérique, l’objectif est de quantifier les conséquences de cette simplification et d’améliorer la représentation du chargement, en s’appuyant sur un cas de référence élémentaire, constitué de deux cylindres co-axiaux soumis à deux jets impactants perpendiculaires à l’axe des cylindres.Sur une maquette en eau modulable conçue à cet effet, après la caractérisation, au moyen de capteurs de pression fluctuante en paroi, du chargement turbulent avec cylindre interne fixe, les vibrations obtenues en disposant le cylindre interne sur des languettes flexibles sont analysées : la forte inhomogénéité des vitesses de convection (entre 0 et 4 m/s), ainsi que des spectres de pression fluctuante (plusieurs ordres de grandeur selon la fréquence) et de leurs longueurs de corrélation (évolutions différentes selon la fréquence et variations du simple au double) numériquement prédite, est effectivement observée, selon un accord calculs-essais particulièrement remarquable.L’ensemble des résultats d’essais et de simulations LES constitue ainsi un cas-test de référence bien documenté de vibrations sous écoulement turbulent en espace annulaire avec admissions impactantes. Il servira de base pour des modélisations numériques et un moyen d’essai représentant des configurations plus complexes.
Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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