Vibration of Tube Bundles in Two-Phase Cross-Flow: Part 1—Hydrodynamic Mass and Damping

Abstract

Two-phase cross-flow exists in many shell-and-tube heat exchangers, such as condensers, reboilers and nuclear steam generators. An understanding of damping and of flow-induced vibration excitation mechanisms is necessary to avoid problems due to excessive tube vibration. Accordingly, we have undertaken an extensive program to study the vibration behavior of tube bundles subjected to two-phase cross-flow. In this paper we present the results of experiments on four tube bundle configurations; namely, normal triangular of pitch over diameter ratio, p/d, of 1.32 and 1.47, and parallel triangular and normal square of p/d of 1.47. The bundles were subjected to air-water mixtures to simulate realistic mass fluxes and vapor qualities corresponding to void fractions from 5 to 99 percent. Hydrodynamic mass and damping are discussed in Part 1 of this series of three papers. We found that hydrodynamic mass is roughly related to the homogeneous mixture density. The damping characteristics of all tube bundles are generally similar. Damping is maximum between 40 and 80 percent void fraction where the damping ratio reaches about 4 percent. The effect of mass flux is generally weak. Design guidelines are proposed for hydrodynamic mass and for damping.

Wear Prediction of Steam Generator Tubes due to Shell Side Foreign Objects

“…It acts like an additional mass distributed along the tube span. An expression that accounts for the added mass can be written as 7) m a ðsÞ ¼ cðsÞ…”

Projeto e análise de dispositivo dinâmico para o estudo das vibrações induzidas por escoamentos bifásicos

“…112 5.26 Fator de amortecimento total médio em escoamento bifásico. Resultados comparados com os trabalhos Chung e Chu (2006) e Pettigrew et al (1989) . .…”

“…A influência dos parâmetros geomêtricos da tubulação na instabilidade fluido-elástica em sistemas bifásicos também têm sido estudada. Em Pettigrew et al (1985) e Pettigrew et al (1989) se realizaram testes em tubulações com configuração quadrado rotacionado, triangular normal e triangular paralela de tubos em cantilever com razão τ igual a 1,47 e 1,32. Os resultados destes experimentos sugerem um valor de 4,0 para a constante de instabilidade C. Além disso, os autores encontraram que a razão τ afeta à constante de instabilidade, este efeito foi mais pronunciado em escoamento bifásico e foi atribuído ao acoplamento hidrodinâmico que aumenta quando o espaço entre tubos é menor (MITRA et al, 2009).…”

“…Como pode-se ver, os fatores de amortecimento calculados no presente trabalho são maiores do que os obtidos nos trabalhos desenvolvidos por Chung e Chu (2006) e Pettigrew et al (1989) e, além disso, não apresentam uma tendência definida. Na Figura 5.26 se pode ver que o amortecimento gerado por um escoamento monofásico é menor do que o gerado por um escoamento bifásico.…”

“…As FRFs medidas em ambiente ar serviram para determinar que o amortecimento do tubo Pettigrew et al (1989) nestas condições é menor e igual a 0,01. Para realizar estes testes a estrutura de vedação da seção de testes ainda não foi instalada.…”