Fluid-elastic instability in an air-water two-phase cross-flow has been experimentally investigated using two different arrays of straight tube bundles: normal square (NS) array and rotated square (RS) array tube bundles with the same pitch-to-diameter ratio of 1.633. Experiments have been performed over wide ranges of mass flux and void fraction. The quantitative tube vibration displacement was measured using a pair of strain gages and the detailed orbit of the tube motion was analyzed from high-speed video recordings. The present study provides the flow pattern, detailed tube vibration response, damping ratio, hydrodynamic mass, and the fluid-elastic instability for each tube bundle. Tube vibration characteristics of the RS array tube bundle in the two-phase flow condition were quite different from those of the NS array tube bundle with respect to the vortex shedding induced vibration and the shape of the oval orbit of the tube motion at the fluid-elastic instability as well as the fluid-elastic instability constant.
It has been reported that the plugged steam generator tube of Three Mile Island Unit 1 in America was damaged by growing flaw and then this steam generator tube destroyed the nearby steam generator tubes of normal state. On this account, stabilizer installation is necessary to prevent secondary damage of the steam generator tubes. The flow-induced vibration is one of the major causes of the fluid-elastic instability. To guarantee the structural integrity of steam generator tubes, the flow-induced vibration caused by the fluid-elastic instability is necessary to be suppressed. In this paper, the effective velocity and the critical velocity are calculated to evaluate the fluid-elastic instability. In addition, stability ratio value of the steam generator tubes is evaluated in order to propose one criterion when to determine stabilizer installation.
The KSNP Steam Generators (Youngkwang Unit 3 and 4, Ulchin Unit 3 and 4) have a problem of U-tube fretting wear due to Flow Induced Vibration (FIV). In particular, the wear is localized and concentrated in a small area of upper part of U-bend in the Central Cavity region. The region has some conditions susceptible to the FIV, which are high flow velocity, high void fraction, and long unsupported span. Even though the FIV could be occurred by many mechanisms, the main mechanism would be fluid-elastic instability, or turbulent excitation. To remedy the problem, Eggcrate Flow Distribution Plate (EFDP) was installed in the Central Cavity region or Ulchin Unit 5 and 6 steam generators, so that it reduces the flow velocity in the region to a certain level. However, the cause of the FIV and the effectiveness of the EFDP was not thoroughly studied and checked. In this study, therefore the Stability Ratio (SR), which is the ratio of the actual velocity to the critical velocity, was compared between the value before the installation of EFDP and that after. Also the possibility of fluid-elastic instability of KSNP steam generator and the effectiveness of EFDP were checked based on the ATHOS3 code calculation and the Pettigrew's experimental results. The calculated results were plotted in a fluid-elastic instability criteria-diagram (Pettigrew, 1998, Fig. 9). The plotted result showed that KSNP steam generator with EFDP had the margin of Fluid-Elastic Instability by almost 25%.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2006.05a
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pp.916-921
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2006
Column mixer is one of the facility to mix fluids at petrochemical plants. The column vibration is caused by pumps for fluid inflow and mixing of inside fluids. This fluid induced vibration is mainly responsible for the reduction of column life. Measurements were performed three times for understanding the vibration characteristics of the column. First experimental results showed the need of stiffness reinforcement. After the reinforcement work, second measurement conformed the difference between two results. Modal analysis was also performed to investigate the resonance of the column vibration and the damage of the rib plate. To confirm the generation of the fluid instability in the column mixer fluid structure interaction analysis using ADINA/FSI was performed which showed the necessity of the modification of the rotary valve.
Bidgoli, Mahmood Rabani;Karimi, Mohammad Saeed;Arani, Ali Ghorbanpour
Steel and Composite Structures
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v.19
no.3
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pp.713-733
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2015
In this paper, viscous fluid induced nonlinear free vibration and instability analysis of a functionally graded carbon nanotube-reinforced composite (CNTRC) cylindrical shell integrated with two uniformly distributed piezoelectric layers on the top and bottom surfaces of the cylindrical shell are presented. Single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) are selected as reinforcement and effective material properties of FG-CNTRC cylindrical shell are assumed to be graded through the thickness direction and are estimated through the rule of mixture. The elastic foundation is modeled by temperature-dependent orthotropic Pasternak medium. Considering coupling of mechanical and electrical fields, Mindlin shell theory and Hamilton's principle, the motion equations are derived. Nonlinear frequency and critical fluid velocity of sandwich structure are calculated based on differential quadrature method (DQM). The effects of different parameters such as distribution type of SWCNTs, volume fractions of SWCNTs, elastic medium and temperature gradient are discussed on the vibration and instability behavior of the sandwich structure. Results indicate that considering elastic foundation increases frequency and critical fluid velocity of system.
Kim, Dong-Hyun;Chang, Tae-Jin;Kwon, Hyuk-Jun;Lee, In
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2002.05a
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pp.140-146
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2002
The fluid induced vibration (FIV) phenomena of a 2-D.O.F airfoil system have been investigated in low Reynolds number incompressible flow region. Unsteady flows with viscosity are computed using two-dimensional incompressible Navier-stokes code. To validate developed Navier-Stokes code, steady and unsteady flow fields around airfoil are analyzed. The present fluid/structure interaction analysis is based on the most accurate computational approach with computational fluid dynamics (CSD) and computational structural dynamics (CSD) techniques. The highly nonlinear fluid/structure interaction phenomena due to severe flow separations have been analyzed fur the low Reynolds region (R$_{N}$ =500~5000) that has a dominancy of flow viscosity. The effect of R$_{N}$ on the fluid/structure coupled vibration instability of 2-DOF airfoil system is presented and the effect of initial angle of attack on the dynamic instability are also shown.own.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.20
no.9
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pp.805-815
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2010
This paper studies the influence of internal moving fluid and flow-induced structural instability of multi-wall carbon nanotubes conveying fluid. Detailed results are demonstrated for the variation of natural frequencies with flow velocity, and the flow-induced divergence and flutter instability characteristics of multi-wall carbon nanotubes conveying fluid and modelled as a thin-walled beam are investigated. Effects of various boundary conditions, Van der Waals forces, and non-classical transverse shear and rotary inertia are incorporated in this study. The governing equations and three different boundary conditions are derived through Hamilton's principle. Numerical analysis is performed by using extended Galerkin's method which enables us to obtain more exact solutions compared with conventional Galerkin's method. This paper also presents the comparison between the characteristics of single-wall and multi-wall carbon nanotubes considering the effect of van der Waals forces. Variations of critical flow velocity for different boundary conditions of two-wall carbon nanotubes are investigated and pertinent conclusion is outlined.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2001.11b
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pp.1400-1405
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2001
In this study, an analysis program to assess the susceptibility of steam generator tubes due to the flow-induced vibration was developed. Analysis of fluid-elastic instability and random turbulence excitation for the U-tube bundle in CE-type steam generator was accomplished. The effective mass distribution along the U-tube was obtained to calculate the natural frequency and dynamic mode shape. Finally, stability ratios and rms vibration amplitude for selected tubes are obtained.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.12
no.4
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pp.261-271
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2002
The fluid-elastic instability analysis of the U-tube bundle inside the steam generator is very important not only for detailed design stage of the SG but also for the change of operating condition of the nuclear powerplant. However the calculation procedure for the fluid-elastic instability was so complicated that the consolidated computer program has not been developed until now. In this study, the numerical calculation procedure and the computer program to obtain the stability ratio were developed. The thermal-hydraulic data in the region of secondary side of steam generator was obtained from executing the ATHOS3 code. The distribution of the fluid density can be calculated by using the void fraction, enthalpy, and operating pressure. The effective mass distribution along the U-tube was required to calculate natural frequency and dynamic mode shape using the ANSYS ver. 5.6 code. Finally, stability ratios for selected tubes of the CE type steam generator were computed. We considered the YGN 3.4 nuclear powerplant as the model plant, and stability ratios were investigated at the flow exit region of the U-tube. From our results, stability ratios at the central and the outside region of the tube bundle are much higher than those of other region.
In this study, an analysis tool to assess the susceptibility of steam generator tubes due to the flow-induced vibration was developed. The fluid-elastic instability analysis of the U-tube bundle for CE-type steam generator was accomplished. The effective mass distribution along the U-tube was obtained to calculate the natural frequency and dynamic mode shape. Finally, stability ratios for selected tubes are obtained.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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