Experimental investigation on hydrodynamic phenomena associated with a sudden gas expansion in a narrow channel

par Emanuele Semeraro

Thèse de doctorat en Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique

Sous la direction de Arnault Monavon et de Matteo Bucci.

Soutenue le 08-12-2014

à Paris 6 , dans le cadre de École doctorale Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique de Paris , en partenariat avec CEA Saclay (laboratoire) .

Le jury était composé de Paolo Di Marco, Thomas McKrell, Christophe Josserand, Georges Berthoud.

  • Titre traduit

    Étude expérimentale des phénomènes hydrodynamiques associés à une expansion brutale de la vapeur dans un canal très fin


  • Résumé

    La vaporisation rapide du sodium liquide surchauffé est supposée être à l’origine des arrêts automatiques pour réactivité négative du réacteur Phénix.Un dispositif expérimental a été mis en œuvre pour reproduire la détente d'un gaz pressurisé, repoussant un liquide dans un canal de section rectangulaire très allongée.L’interface qui sépare les deux fluides, initialement plate, ondule du fait d'instabilités de Rayleigh-Taylor dont le caractère 2D est garanti par le rapport d'aspect de la section du canal. L’aire interfaciale augmente d'un facteur 50.L’expansion du gaz peut être divisée en deux phases principales : une phase dite « de Rayleigh-Taylor » (linéaire et non-linéaire) et une phase dite « à multi-structures » (transitionnelle et chaotique). La première est caractérisée par la dynamique de l'interface et l’aire interfaciale qui en résulte est proportionnelle à l’amplitude des ondulations. La deuxième est influencée par le comportement des structures liquides, dispersées dans la matrice gazeuse et l’aire interfaciale est alors proportionnelle au nombre de structures.La distribution de fraction volumique suggère un modèle d’écoulement composé de trois régions : une région où la frontière des bulles est clairement définie et régulière, une région compartimentée par des membranes liquides issues des frontières des bulles, une région diphasique formée de la queue de ces structures. L’analyse de sensibilité à la tension superficielle confirme que plus la tension est faible, plus les interfaces sont instables. Les ondes sont plus prononcées et plus de structures sont produites, ce qui conduit à une majoration du taux de production de l’aire interfaciale.


  • Résumé

    The sharp vaporization of superheated liquid sodium is investigated. It is suspected to be at the origin of the automatic shutdown for negative reactivity, occurred in the Phénix reactor at the end of the eighties.An experimental apparatus has been designed and operated to reproduce the expansion of overpressurized air, superposed to water in a narrow vertical rectangular section channel.When expansion begins, the initial flat interface separating the two fluids becomes corrugated under the development of two-dimensional Rayleigh-Taylor instabilities. The interface area increases significantly and becomes even 50 times larger than the initial value. Since the channel is very narrow, instabilities along the channel depth do not develop.The gas expansion in a narrow channel can be divided into two main phases: Rayleigh-Taylor (linear and non-linear) and multi-structures (transition and chaotic) phases. The former is characterized by the dynamic of corrugated profile and the interface area results proportional to the amplitude of corrugation The latter is influenced by the behavior of the liquid structures dispersed in gas matrix and the interface area is mainly proportional to the number of liquid structures.The distribution of volume fraction suggests a model of channel flow consisting of three regions: the regular profile of peaks, the spike region and the structures tails. The analysis of sensibility to surface tension confirms that, with a lower surface tension, the fluids configuration is more unstable. The interface corrugations are more pronounced and more structures are produced, leading to a higher increment of the interface area.


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