Analisis cfd y modelado teórico de la auto-excitación de vibraciones por inestabilidad fluidoelástica en intercambiadores tubulares de flujo cruzado"/ " cfd analysis and theoretical modeling of the self-excited vibrations due to fluidelastic instability in shell-and-tube-exchangers

Resumo

Los haces de tubos sujetos a flujo cruzado de aire, agua o mezcla, como en intercambiadores de calor, pueden desarrollar vibraciones por varios tipos de mecanismos de excitación fluidodinámica. Entre ellos, la inestabilidad fluidoelástica (IFE) tiene el mayor potencial para generar vibraciones de gran amplitud capaces de inducir daño severo en poco tiempo. La IFE es una forma de vibraciones autoexcitadas que pueden estar controladas por amortiguamiento, lo que solo requiere un grado de libertad, o por rigidez, que se caracteriza por haber varios tubos que vibran acopladamente. Durante décadas, la IFE ha sido muy estudiada experimentalmente a fin de determinar la velocidad crítica que da pie a las vibraciones. Sin embargo, los datos recogidos han sido muy dispersos, por varios factores: dependencia de la geometría del haz (patrón, relación de paso) con gran sensibilidad frente a pequeños cambios de posición de los tubos, altos niveles de turbulencia, coexistencia de otros mecanismos de excitación, etc. Además, se han ido proponiendo varios modelos para representar los procesos del flujo que originan la IFE y predecir condiciones de estabilidad. Entre ellos, el modelo de inercia del flujo de Lever y Weaver es muy atractivo porque, basándose en los principios de flujo 1D no estacionario y sin aporte de datos empíricos, conduce a predicciones de las fuerzas desestabilizantes y de las condiciones de estabilidad que siguen tendencias adecuadas en varios casos. Con todo, los modelos CFD son la mejor opción para tener una descripción detallada del flujo no estacionario a través de los haces y lograr una predicción más fiable de la velocidad crítica, según se ha visto ya en estudios recientes. Más aún, las simulaciones CFD ofrecen la posibilidad de analizar el estado post-estable del sistema, en el que dominan los términos no lineales. Así, para esta tesis se plantearon dos objetivos principales: i) diseñar y aplicar un procedimiento CFD avanzado para estudiar la excitación de vibraciones por IFE, con énfasis en el efecto de la amplitud de vibración sobre las fuerzas fluidoelásticas y el comportamiento del sistema con velocidades de flujo mayores de la crítica; y ii) identificar qué características del flujo son clave en la generación de fuerzas estabilizadoras o desestabilizadoras, a fin de sugerir posibles modificaciones sobre el modelo clásico de Lever y Weaver. Para ello, se desarrolló una metodología especial para el caso de haces con un único tubo en vibración transversal, que corresponde a IFE controlada por amortiguamiento. Consiste en simulaciones CFD del flujo no estacionario a través del haz mientras un tubo acomete vibraciones forzadas con amplitud constante o creciente, lo que requiere el remallado del dominio en cada paso temporal. El estudio se centró en la geometría triangular paralela con relación de paso de 1.57, bajo flujo cruzado de agua con distintas velocidades. Los cálculos se efectuaron con Ansys-Fluent 16.2. El flujo se modeló con las ecuaciones URANS 2D y el modelo de turbulencia k- RNG, y el movimiento del tubo se gobernó con una función de usuario externa. Tras cada simulación, los valores de las variables del flujo y fuerzas obtenidas en cada instante se procesaron mediante FFT para su análisis en el dominio frecuencial. Las predicciones se contrastaron con datos experimentales de la literatura. Como resultados novedosos se han tenido: - Identificación y cuantificación de aspectos del flujo no estacionario que contribuyen a las fuerzas fluidoelásticas sobre el tubo vibrante, incluyendo el intercambio de flujo entre canales laterales, la formación de estructuras vorticales y la atenuación y retraso en la propagación de fluctuaciones. - Propuesta de una versión modificada del modelo clásico de Lever y Weaver que incluye flujo transversal entre canales adyacentes al tubo vibrante, lo que lleva a mejorar las predicciones. - Determinación de las fuerzas fluidoelásticas y del amortiguamiento neto del sistema en función de la amplitud de vibración y la velocidad reducida, predicción de las oscilaciones de ciclo límite y propuesta de un mapa de amortiguamiento neto para representar el comportamiento estable y post-estable de los haces de tubos. Cylinders arrays subject to cross-flow (either air, water or a mixture) as in heat exchangers may undergo flow-induced vibrations due to different excitation mechanisms. Among them, fluidelastic instability (FEI) has the highest potential to develop high amplitude vibrations that lead quickly to severe damage. FEI is a form of self-excited vibration that can be controlled by flow damping, which only requires one degree of freedom, or by flow stiffness, which usually involves several tubes vibrating in coupled motion. Over decades, FEI has been extensively studied experimentally in order to determine the critical flow velocities that trigger the vibrations. However, the data collected is highly scattered due to several factors, including dependence with respect to array geometry (array pattern, pitch-to-diameter ratio), high sensitivity to small shifts of tube position in the arrays, high turbulence levels inside the arrays, co-existence of other excitation mechanisms, etc. Besides, different models have been postulated to represent the processes involved in FEI and predict conditions for instability. Among them, Lever and Weaver´s flow inertia theory is particularly attractive since it is mostly based on basic 1D unsteady flow principles without empirical input data, and yet it predicts destabilizing forces and stability conditions that show reasonable trends in several cases. Nonetheless, CFD models have the highest potential for a detailed description of the unsteady flow through the arrays and for a more reliable prediction of critical velocities, as already shown in several recent studies. Moreover, CFD simulations offer the possibility of analyzing the post-stable behavior of the system, in which non-linear terms are predominant. This research has pursued two main objectives: i) design and apply an advanced CFD procedure to study the excitation of vibrations due to FEI, with special focus on the effect of vibration amplitude on the fluidelastic forces and on the behavior of the system for flow velocities above critical; and ii) identify from those CFD simulations which flow features are key in the generation of stabilizing or destabilizing forces, in order to suggest possible modifications on the classical Lever and Weaver model. For those purposes, a special methodology was developed to simulate the case of arrays with only one tube oscillating transversely, as corresponds to damping-controlled FEI. It consists in CFD simulations of the unsteady flow through the array while one tube undergoes forced vibrations with either constant or increasing amplitude, which requires appropriate remeshing of the domain at every time step. The study was focused on a parallel triangular array with a pitch ratio of 1.57, subject to water flows of different velocities. Simulations were performed with the Ansys-Fluent 16.2 software. Flow was modelled with 2D URANS equations and a k- RNG turbulence model, and tube motion was governed by an external user defined function. After each simulation, the instantaneous values of the flow variables and forces so obtained were FFT post-processed and analyzed in the frequency domain. Predictions were contrasted against the experimental data available in the literature. Some novel results obtained are: - Identification and quantification of the unsteady flow features that contribute to the fluidelastic forces on the vibrating tube, including the flow exchange between side channels, the induction of vortical structures and the attenuation and phase lag of flow fluctuations. - Proposal of a modified version of the Lever and Weaver’s model that includes transversal flow between side channels, which brings about enhanced predictions. - Determination of the fluidelastic forces and the net damping of the system as a function of vibration amplitude and reduced velocity, prediction of the limit cycle oscillations and proposal of a net damping map to represent the stable and post-stable behavior of arrays.