Caractérisation des forces fluides s'exerçant sur un faisceau de cylindres oscillant latéralement en écoulement axial

This thesis presents an experimental and a numerical study of the fluid forces exerted on a cylinder or a cylinder array oscillating laterally in an axial flow. The parameters of the system are the amplitude, the oscillation frequency, the confinement and the length to diameter ratio of the cylinder. The objective is to determine the fluid damping created by the axial flow, i.e. the dissipative force. The industrial application of this thesis is the determination of the fluid damping of the fuel assemblies in the core of a nuclear power plant during an earthquake. The study focuses on the configurations where the oscillation velocity is small compared to the axial flow velocity. In a first part, we study the case of a cylinder with no confinement oscillating in axial flow. Two methods are used: a dynamical and a quasi-static approach. In dynamics, the damping rate is measured during free oscillations of the cylinder. In the quasi-static approach, the damping coefficient is calculated from the normal force measured on a yawed cylinder. The range of the small ratios between the oscillation and the axial flow velocities corresponds to a range of low yaw angle where the cylinder is in near-axial flow in statics. The case of a yawed cylinder has been studied both experimentally with experiments in a wind tunnel and numerically with CFD calculations. The analyses of the fluid forces shows that for yaw angles smaller than 5°, a linear lift with the yaw angle creates the damping. The origin of the lift force is discussed from pressure and velocity measurements. The results of the quasi-static approach are compared to the results of the dynamical experiments. In a second part, an experimental study is performed on a rigid cylinder array made up of 40 cylinders oscillating in an axial flow. The normal force and the displacement of the cylinder array are measured simultaneously. The added mass and damping coefficient are calculated and their variation with the amplitude, the oscillation frequency and the axial velocity are studied. The force measurements show that the damping coefficient only depends on a single parameter: le ratio between the amplitude of the oscillation velocity and the axial flow velocity.Cette thèse porte sur l'étude expérimentale et numérique des forces fluides s'exerçant sur un cylindre ou un faisceau de cylindres oscillant latéralement en écoulement axial. Les paramètres de ce système sont l'amplitude, la fréquence d'oscillation, la vitesse de l'écoulement axial, le confinement et le rapport entre la longueur et le diamètre du cylindre. L'objectif de la thèse est de déterminer l'amortissement fluide, c'est-à-dire la force dissipative, créé par l'écoulement axial. Les résultats des travaux de thèse ont pour application industrielle la détermination de l'amortissement fluide des assemblages combustibles dans le cœur des centrales nucléaire lors d'un séisme. On s'intéresse dans le cadre de la thèse uniquement aux configurations pour lesquelles la vitesse d'oscillation latérale est faible devant la vitesse d'écoulement axial. Dans une première partie, on étudie le cas d'un cylindre non confiné oscillant en écoulement axial. Deux méthodes différentes sont utilisées : une dynamique et une quasi-statique. En dynamique, l'amortissement fluide est mesuré par la décroissance des oscillations pour un cylindre en oscillations libres. Dans l'approche quasi-statique, l'amortissement se déduit de la force normale mesurée sur un cylindre incliné. La gamme des faibles ratios entre la vitesse latérale et la vitesse axiale correspond, en statique, à une gamme de faibles inclinaisons où le cylindre est en écoulement quasi-axial. Le cas de l'approche quasi-statique a été traité expérimentalement dans des expériences en soufflerie et numériquement avec des calculs CFD. L'analyse des forces fluides montre que pour des inclinaisons inférieures à 5°, une portance linéaire avec l'angle contribue majoritairement à l'amortissement. L'origine de la force de portance est discutée à partir des mesures de pression à la paroi et de vitesses fluides. Les résultats de l'approche quasi-statique sont comparés aux résultats donnés par les expériences dynamiques. Dans une seconde partie, une étude expérimentale d'un faisceau confiné de 40 cylindres oscillant dans un écoulement axial d'eau est réalisée. La force et le déplacement sont mesurés simultanément. Les coefficients de masse ajoutée et d'amortissement sont évalués et leur variation en fonction de l'amplitude, la fréquence d'oscillation et la vitesse de l'écoulement axial est caractérisée. On montre ainsi que le coefficient d'amortissement dépend d'un unique paramètre : le rapport entre l'amplitude de la vitesse d'oscillation et la vitesse de l'écoulement axial