2. Solution de référence#

2.1. Méthode de calcul utilisée pour la solution de référence#

La solution de référence est une solution analytique approchée. Les potentiels fluctuants analytiques approchés pour calculer la rigidité ajoutée s’écrivent [bib1]:

\(\lbrace \begin{array}{ccc}{\varphi}_{1}(r,\theta ,y)=& \frac{{R}_{e}^{2}}{{R}_{e}^{2}-{R}_{i}^{2}}(r+\frac{{R}_{i}^{2}}{r})& \sin\theta \sin\frac{\pi (y+l/2)}{l}\\ {\varphi}_{2}(r,\theta ,y)=& \frac{{R}_{e}^{2}}{{R}_{e}^{2}-{R}_{i}^{2}}(r+\frac{{R}_{i}^{2}}{r})& \sin\theta \cos\frac{\pi (y+l/2)}{l}\end{array}\)

La rigidité ajoutée sur le premier mode de flexion du cylindre extérieur considéré comme une poutre rotulé-rotulé s’écrit [bib1]:

\({K}_{A}=-\frac{\rho}{2}\frac{{V}_{0}^{2}{\pi}^{3}{R}_{e}^{3}}{({R}_{e}^{2}-{R}_{i}^{2})l}({R}_{e}+\frac{{R}_{i}^{2}}{{R}_{e}})\)

Cette rigidité, calculée sur une géométrie cylindrique, est ensuite affectée à un modèle à un degré de liberté équivalent.

Le système à un degré de liberté équivalent est un système masse-ressort équivalent auquel on affecte une masse égale à la masse du système augmentée de la masse ajoutée par le fluide et une rigidité égale à la rigidité du système augmentée de la rigidité ajoutée par l’écoulement pour différentes vitesses.

La masse du système en air est de :

\(M=10292\mathit{kg}\)

pour une coque cylindrique externe d’épaisseur:

\(C={2.10}^{-3}m\)

Pour rigidité équivalente en air du système « coque externe », on prend la rigidité d’une poutre soumise à une force répartie sur toute sa longueur:

_images/10000D66000027610000052B117D0A01DB11CF31.svg

ainsi \(K=2.533{10}^{4}N/m\)

Le système équivalent couplé à l’écoulement est représenté par le schéma suivant:

_images/1000027200000B0F0000052BB5A3FD7B4A90F759.svg

avec \(m=M+{M}_{A}\) \(k=K+{K}_{A}\)

La pulsation propre du système couplé évolue en fonction du carré de la vitesse d’écoulement. Si on appelle \({V}_{{0}_{C}}\) la vitesse critique d’écoulement pour laquelle la rigidité \(k\) s’annule:

\(\exists {V}_{{0}_{C}},K+{K}_{A}({V}_{{0}_{C}})=0\) avec \({V}_{{0}_{C}}^{2}=\frac{2({R}_{e}^{2}-{R}_{i}^{2})lK}{({R}_{e}+\frac{{R}_{i}^{2}}{{R}_{e}})\rho {\pi}^{3}{R}_{e}^{3}}\)

alors on montre que:

\(\omega ({V}_{0})={\omega}_{e}(0)\sqrt{1-{x}^{2}}\)

où l’on a posé:

\({\omega}_{e}(0)=\sqrt{\frac{K}{M+{M}_{A}}}\) (pulsation propre du système en fluide au repos)

\(x=\frac{{V}_{0}}{{V}_{{0}_{C}}}\) (vitesse réduite de l’écoulement)

La pulsation du fluide au repos vaut: \(\omega =0.085\mathit{rad}/s\) .

2.2. Résultats de référence#

On calcule pour différentes vitesses d’écoulement la fréquence propre du système.

\({V}_{0}(m/s)\)

0.5

1.5

2.2

2.688

\({M}_{A}(\mathit{kg})\)

3.486E6

3.486E6

3.486E6

3.486E6

3.486E6

\({K}_{A}(N/m)\)

–876.5

–7888.50

–14023.95

–16968.98

–25330

\({M}_{\mathrm{total}}(\mathrm{kg})\)

3.491E+6

=

=

=

=

\({K}_{\mathit{total}}(N/m)\)

24453.5

17441.5

11306.05

8361.00

\(f({V}_{0})\times {10}^{-2}(\mathit{Hz})\)

1.318

1.112

0.896

0.772

2.3. Incertitude sur la solution#

Solution semi-analytique.

2.4. Références bibliographique#

  1. ROUSSEAU G., LUU H.T. - Masse, amortissement et raideur ajoutés pour une structure vibrante placée dans un écoulement potentiel - Note interne EDF/DER, HP-61/95/064/A (1995).