Simulation et modélisation des interactions fluide-structure en écoulements diphasiques

par Thibaud Beltzung

Thèse de doctorat en Mathématiques appliquées

Sous la direction de Christophe Chalons et de Olivier Thomine.

Soutenue le 25-10-2019

à l'Université Paris-Saclay (ComUE) , dans le cadre de École doctorale de mathématiques Hadamard (Orsay, Essonne ; 2015-....) , en partenariat avec Laboratoire de Mathématiques de Versailles (laboratoire) , Université de Versailles-Saint-Quentin-en-Yvelines (établissement opérateur d'inscription) et de Laboratoire de Mathématiques de Versailles / LMV (laboratoire) .

Le président du jury était Laurent Dumas.

Le jury était composé de Christophe Chalons, Olivier Thomine, Laurent Dumas, Jean-Marc Hérard, Clément Cancès, Maria-Giovanna Rodio.

Les rapporteurs étaient Jean-Marc Hérard, Clément Cancès.


  • Résumé

    Les générateurs de vapeur (GV) sont l’un des com-posants majeurs des réacteurs nucléaires, et une connaissanceapprofondie de leur comportement constitue un enjeu indus-triel important aussi bien pour le concepteur AREVA-NP quepour l’exploitant EDF. Une des problématiques rencontréespour le dimensionnement des GV concerne la vibration destubes induite par l’écoulement, ce qui nécessite une évalua-tion raisonnable de la réponse des tubes à l’excitation généréepar l’écoulement. La zone identifiée comme la plus critique estla région en U (partie haute du GV) où l’écoulement est dipha-sique avec un fort taux de vide et interagit plutôt transversa-lement avec les tubes. Afin d’évaluer les excitations généréessur les tubes par les fluctuations inhérentes à l’écoulement, lesparamètres physiques pertinents doivent être identifiés. Pourles écoulements monophasiques, il semble possible de relier lesefforts sur les structures tubulaires au niveau de turbulence del’écoulement à la fois en utilisant des méthodes de réductiondes données expérimentales mais également en utilisant desméthodes de simulations numériques. Pour les écoulementsdiphasiques, les forces induites sur les tubes par l’écoulementont a priori une autre origine et seraient plutôt liées aux contri-butions dynamiques de chaque phase ainsi qu’aux transfertsinterfaciaux. Néanmoins, les paramètres physiques pertinentsqui permettent de prévoir l’amplitude de ces forces restentlargement débattus (taux de vide, régime d’écoulement, etc.)et les mécanismes physiques mal compris. Pour étudier cesinstabilités vibratoires lorsque l’écoulement est diphasique, uncertain nombre d’expériences analytiques ont été et continuentà être menées au CEA. Ces expériences analytiques portentsur un tube isolé ou en faisceau, rigide ou flexible, et sur unelarge gamme de régimes d’écoulement (maquettes AMOVI etDIVA du CEA). Leur objectif est de caractériser ces instabili-tés vibratoires (mesure des forces exercées sur l’obstacle) enfonction de paramètres globaux de l’écoulement (débit gaz,débit liquide, taux de vide ”moyen”, etc.) mais aussi de cer-tains paramètres locaux (taux de vide local, taille des bulles,vitesse gaz, etc.). Ces paramètres mesurés ou estimés loca-lement sont ceux qui permettent d’obtenir les adimensionne-ments les plus pertinents à la fois sur les forces d’excitationsaléatoires (spectres d’excitation en diphasique sur tube rigide)et sur les forces de couplage fluide-élastiques (tube flexible seulpuis en faisceau). Il reste néanmoins une bande de dispersionsur les résultats obtenus, les mécanismes physiques sont malcompris et ces adimensionnements restent tributaires du choixde la localisation des mesures. L’objectif de la thèse est doncde mettre en oeuvre des simulations numériques avec suivid’interface dans des configurations proches de celles des ex-périences analytiques menées au CEA afin d’approfondir l’ana-lyse des phénomènes conduisant aux vibrations des tubes deGV.

  • Titre traduit

    Simulation and modelisation of fluid-structure interaction in two-phase flows


  • Résumé

    Steam generators are a key component of nuclear power reactors, and an in-depth knowledge of their mechanisms is a major industrial challenge for the designer AREVA-NP and the operator EDF. Vibration of tube bundles induced by cross-flow is one of the problems encountered by the designer, thus needing to assess the vibration response to the excitation generated by the flow. The critical region is the U shape of the bundle (upper part of the steam generator), where two-phase cross-flow occurs with an important void fraction. In order to measure excitation induced by flow fluctuations on the tube bundle, some physical parameters have to be identified. For single-phase flows, it seems possible to link load on tubular structure to turbulence intensity of the flow, thanks to experimental data reduction methods together with numerical simulation methods. For two-phase flows, it is believed that forces induced on the tubes by the flow have other origins, and might be connected to dynamic contribution of each phase together with interfacial transfers. Nevertheless, relevant physical parameters which could predict the amplitude of the forces remain a subject of debate (void fraction, flow regime, etc.) and physical processes not yet fully understood. In order to study mechanical instabilities in two-phase flows, some analytic experiments a have been and continue to be conducted at CEA. These analytic experiments focuses on isolated tube or tube bundles (rigid or flexible), and on a large regime flow range (AMOVI and DIVA mockups at CEA). They aim to describe these mechanical instabilities (forces measurement on the obstacle) based upon average parameters of the flow (gas and liquid flow rates, "mean" void fraction, etc.), but also local parameters (local void fraction, bubble size, gas velocity, etc.). These measured or locally estimated parameters are used to conduct relevant nondimensionalization, both on the random excitation forces (two-phase excitation spectrum on a rigid tube) and the fluid-elastic coupling forces (single flexible tube or flexible bundle). Nonetheless, some dispersion remains on the results, physical mechanisms are not well understood, and the nondimensionalization process remains dependent on metrology. The aim of this PhD thesis is to conduct numerical simulations with front tracking in configurations close to the experiments conducted at CEA in order to expand the knowledge on phenomena leading to vibration of tube bundle in steam generators.


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