Modelling of fluid structure interaction by potential flow theory in a pwr under seismic excitation

par Roberto Capanna

Thèse de doctorat en Mécanique

Sous la direction de Christophe Eloy et de Emmanuelle Sarrouy.

Soutenue le 07-12-2018

à l'Ecole centrale de Marseille , dans le cadre de Ecole Doctorale Sciences pour l'Ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique (Marseille) , en partenariat avec Institut de Recherche sur les Phénomènes Hors Equilibre (Marseille) (laboratoire) , Laboratoire de mécanique et d'acoustique (Marseille) (laboratoire) , Institut de Recherche sur les Phénomènes Hors Equilibre / IRPHE (laboratoire) et de Laboratoire de Mécanique et d'Acoustique [Marseille] / LMA (laboratoire) .

Le président du jury était Pierre Brancher.

Le jury était composé de Olivier Doaré.

  • Titre traduit

    Modélisation des interactions fluide structure par écoulement potentiel dans un cœur de REP sous séisme


  • Résumé

    Une modélisation efficace et une connaissance précise du comportement mécanique du cœur du réacteur sont nécessaires pour estimer les effets de l'excitation sismique sur une centrale nucléaire. La présence d'un écoulement d'eau (dans les REP) engendre des phénomènes d'interaction fluide structure. La modélisation des interactions fluide structure sur les assemblages combustible revêt donc une importance fondamentale pour la sécurité des réacteurs nucléaires. L’objectif principal du projet de thèse présenté dans ce document est d’étudier les interactions fluide structure afin de mieux comprendre les phénomènes impliqués. La modélisation et l'approche expérimentale sont considérées. Un nouveau modèle linéaire simplifié pour les interactions fluide structure est développé en utilisant la théorie de l'écoulement potentiel pour la modélisation des forces fluide, tandis que le modèle de poutre d'Euler-Bernoulli est utilisé pour la partie structurelle. Le modèle est d'abord développé pour un seul cylindre et il est validé avec des ouvrages de référence dans la littérature. Les effets de la taille de confinement et du nombre d'onde sont examinés. Le modèle d'écoulement potentiel développé pour un seul cylindre est ainsi étendu à une géométrie multicylindre. La démarche expérimentale est donc nécessaire pour valider le modèle développé. Une nouvelle installation expérimentale, ICARE, a été conçue pour étudier les phénomènes d’interaction fluide structure sur des assemblages combustible à demi-échelle. Dans ce document, les résultats fournis par les mesures de déplacement et de LDV sont largement analysés. Le comportement dynamique de l'assemblage combustible et les effets de couplage sont étudiés. Les calculs sont comparés aux résultats expérimentaux afin de valider le modèle et d’en analyser ses limites. Le modèle est en accord avec les résultats expérimentaux concernant l'effet de masse ajouté. De plus, le modèle prédit qualitativement les effets des couplages dans différentes directions. Par contre, le modèle d'écoulement potentiel ne permet pas de prédire des effets d'amortissement ajouté, principalement dus aux forces visqueuses. Enfin, dans ce document, une autre application du modèle développé est décrite. Le modèle est utilisé afin de simuler des expériences réalisées sur une maquette d'assemblage combustible dans l'installation expérimentale installée à l'Université George Washington (GWU). Le modèle est capable de prédire et de fournir une interprétation valide de la perturbation du débit d'eau due au mouvement de l'ensemble excité. La thèse se termine par des perspectives d'amélioration du modèle, en intégrant des termes visqueux dans les équations. L'analyse des données de vélocimétrie par image de particules (PIV) recueillies au cours des campagnes expérimentales ICARE doit être poursuivie.


  • Résumé

    Efficient modelling and accurate knowledge of the mechanical behaviour of the reactorcore are needed to estimate the effects of seismic excitation on a nuclear power plant. Thepresence of cooling water flow (in PWRs) gives rise to fluid structure interaction phenomena.Modelling of fluid structure interactions on fuel assemblies is thus of fundamentalimportance in order to assure the safety of nuclear reactors. The main objective of thePhD project which is presented in this document is to investigate fluid structure interactionsin order to have a better understanding of the involved phenomena. Both modellingand experimental approach are considered. A new simplified linear model for fluid structureinteractions is developed by using the potential flow theory for fluid force modellingwhile the Euler-Bernoulli beam model is used for the structural part. The model, is firstdeveloped for a single cylinder and it is validated with reference works in literature. Theeffects of the confinement size and of the wavenumber are investigated. The potential flowmodel developed for a single cylinder, is thus extended to a multi cylinders geometry. Theexperimental approach is thus needed in order to validate the developed model. A newexperimental facility, ICARE, is designed in order to investigate fluid structure interactionphenomena on half scale fuel assemblies. In this document, the results provided bydisplacement and LDV measurements are widely analysed. The dynamical behaviour ofthe fuel assembly and coupling effects are investigated. Calculations are compared to theexperimental results in order to validate the model and to analyse its limits. The model isin agreement with experimental results regarding the added mass effect. In addition, themodel qualitatively predicts couplings effects on different directions. As a drawback, thepotential flow model cannot predict added damping effects, which are mainly due to viscousforces. Finally in this document another application of the developed model is described.The model is used in order to simulate experiments performed on a surrogate fuel assemblyin the experimental facility installed at George Washington University (GWU). The modelis able to predict and to provide a valid interpretation for the water flow perturbation dueto the motion of the excited assembly. The thesis concludes with perspectives for furtherimprovements of the model, by integrating viscous terms in the equations. Work needs tobe carried out on the analysis of Particle Image Velocimetry (PIV) data collected duringICARE experimental campaigns.


Il est disponible au sein de la bibliothèque de l'établissement de soutenance.

Consulter en bibliothèque

La version de soutenance existe

Où se trouve cette thèse\u00a0?

  • Bibliothèque : Ecole centrale de Marseille.
Voir dans le Sudoc, catalogue collectif des bibliothèques de l'enseignement supérieur et de la recherche.