Modélisation des écoulements eau-vapeur « tous régimes d’écoulements » par une approche multi-champ

Multifield approach and interface locating method for two-phase flows in nuclear power plant

• Auteur / Autrice : Solène Fleau
• Direction : Stéphane Vincent, Stéphane Mimouni
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides
• Date : Soutenance le 21/06/2017
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Modélisation et simulation multi échelle (Marne-la-Vallée) - Laboratoire de Modélisation et Simulation Multi Echelle / MSME
• Jury : Président / Présidente : Jacques Magnaudet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphane Vincent, Eric Chenier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Dominique Legendre, Marc Massot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Mécanique des fluides

Écoulement diphasique

Écoulement polyphasique

Mots clés libres

Ecoulements multi-Phasiques

Modèle bi-Fluide

Approche multi-Champ

Couplage de modèles

Multiphase flows

Two-Fluid model

Multifield approach

Model coupling

Résumé

La compréhension des écoulements à bulles dans les centrales nucléaires demeure encore un élément limitant dans l’analyse des opérations et de la sûreté des installations. Pour ne citer qu’un exemple, l’amélioration de la durée de vie etde la performance des générateurs de vapeur nécessite d’appréhender les régimes d’écoulement au sein des tubes qui sont responsables de leur vibration. Cependant, pour simuler avec précision ces écoulements, les codes de simulation numérique doivent relever de nombreux défis parmi lesquels la capacité à simuler des inclusions ayant des tailles très variées. Dans cette thèse, une nouvelle approche, appelée approche multi-champ, est implémentée dans le code NEPTUNE_CFD, basé sur un modèle bi-fluide. Cette approche inclut une méthode de suivi d’interface pour les grandes structures déformables et prend en compte les effets liés à la turbulence et aux changements de phase.Pour simuler de tels écoulements complexes en limitant le coût CPU, l’approche multi-champ considère séparément les petites inclusions sphériques des grandes inclusions déformables. Ainsi, les petites structures sphériques sont définies via un champ eulérien dispersé évoluant au sein d’un champ continu porteur, comme c’est habituellement le cas avec le modèle bi-fluide. Les grosses bulles déformables sont considérées comme des interfaces entre deux champs continus, un champ liquide et un champ gaz. Si on prend l’exemple d’un écoulement diphasique avec de l’eau et des bulles d’air de différentes tailles, trois champs sont alors définis pour cet écoulement: un champ continu liquide, un champ continu gaz et un champ dispersé gaz contenant les petites bulles sphériques. Cependant, simuler avec précision des interfaces entre deux champscontinus avec le modèle bi-fluide nécessite le développement de traitements spécifiques afin de coupler les deux champs à l’interface et de limiter la diffusion de cette interface.Après avoir amélioré la simulation des interfaces dans des écoulements laminaires, les effets liés à la turbulence sont étudiés. Une étude a priori de simulations aux grandes échelles est proposée pour identifier les termes sous-mailles et comparer différents modèles de turbulence disponibles dans la littérature. L’implémentation et la validation du modèle de turbulence retenu suite à l’étude sont détaillées. Les changements de phase sont ensuite explorés via le développement d’un modèle spécifique pour le terme de transfert de masse. Pour finir, des simulations trois champs sont présentées. De nouveauxcritères sont définis pour modéliser la fragmentation des grandes inclusions déformables en petites bulles sphériques ainsi que la coalescence de ces dernières pour former de grandes bulles déformables.A chaque étape de l’implémentation des différents modèles évoqués, des validations basées sur des données analytiques et issues d’expériences sont présentées afin de s’assurer que les phénomènes physiques sont bien prédits. Des cas tests dans des configurations industrielles sont également détaillés pour montrer la capacité de l’approche développée à simuler des écoulements complexes

Bubbly flows occurring in nuclear power plants remain a major limiting phenomenon for the analysis of operation and safety. As an example, the improvement of steam generator lifetime and performance relies on the comprehension of flow regimes inside the tubes responsible for tube vibrations. However, to ensure an accurate simulation of these flows, theComputational Multi-Fluid Dynamics (CMFD) codes have to take up many challenges, among others the ability of dealing with a variety of inclusion sizes. The classical two-fluid model allows simulating small spherical inclusions but is not able to compute large deformable inclusions. Thus, in this thesis, a new approach, called the multifield approach, is implementedin the CMFD code NEPTUNE_CFD, based on a two-fluid model. This approach includes an interface tracking method for large and deformable structures and takes into account turbulence and phase change effects.To simulate such complex flows with reasonable computational costs, the multifield approach considers separately the small spherical inclusions and the large deformable ones. Thus, the small spherical structures are defined as a dispersed field evolving in a continuous carrier field, as usually done in the two-fluid model. The large deformable bubbles are considered as interfaces between two continuous phases treated as two different fields in the two-fluid model. In the example of a two-phase flow with water and air bubbles of different sizes, three fields are defined: a continuous liquid field, a continuous gas field and a dispersed gas field containing the small spherical bubbles. However, the accurate simulation of interfaces between the two continuous fields within the two-fluid model requires specific treatments to couple the two fields at the interface and to limit the interface smearing.After improving the interface simulation in laminar flows, turbulence effects are investigated. An a priori Large Eddy Simulation (LES) study is performed to identify the predominant subgrid terms and to compare different availableturbulence models. The implementation and validation of the most suitable model is proposed. Phase change interfaces are then explored with the development of a specific model for the mass transfer term. Finally, three fields simulations are performed. New criteria are defined for the breakup of the large deformable inclusions into small spherical bubbles and for the coalescence of the latter forming large deformable bubbles.Validation at each step of the models implementations are presented using analytical and experimental data to ensure that the physical phenomena are well predicted. Test cases in industrial configurations are finally performed to show the ability of the developed approach to deal with complex flows