Simulation et modélisation des interactions fluide-structure en écoulements diphasiques

par Thibaud Beltzung

Projet de thèse en Mathématiques appliquées

Sous la direction de Christophe Chalons.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de Mathématiques Hadamard , en partenariat avec LMV - Laboratoire de Mathématiques de Versailles (laboratoire) , Analyse et équations aux dérivées partielles (LMV) (equipe de recherche) et de université de Versailles-Saint-Quentin-en-Yvelines (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-10-2015 .


  • Résumé

    Les générateurs de vapeur (GV) sont l'un des composants majeurs des réacteurs nucléaires, et une connaissance approfondie de leur comportement constitue un enjeu industriel important aussi bien pour le concepteur AREVA-NP que pour l'exploitant EDF. Une des problématiques rencontrées pour le dimensionnement des GV concerne la vibration des tubes induite par l'écoulement, ce qui nécessite une évaluation raisonnable de la réponse des tubes à l'excitation générée par l'écoulement. La zone identifiée comme la plus critique est la région en U (partie haute du GV) où l'écoulement est diphasique avec un fort taux de vide et interagit plutôt transversalement avec les tubes. Afin d'évaluer les excitations générées sur les tubes par les fluctuations inhérentes à l'écoulement, les paramètres physiques pertinents doivent être identifiés. Pour les écoulements monophasiques, il semble possible de relier les efforts sur les structures tubulaires au niveau de turbulence de l'écoulement à la fois en utilisant des méthodes de réduction des données expérimentales mais également en utilisant des méthodes de simulations numériques. Pour les écoulements diphasiques, les forces induites sur les tubes par l'écoulement ont a priori une autre origine et seraient plutôt liées aux contributions dynamiques de chaque phase ainsi qu'aux transferts interfaciaux. Néanmoins, les paramètres physiques pertinents qui permettent de prévoir l'amplitude de ces forces restent largement débattus (taux de vide, régime d'écoulement, etc.) et les mécanismes physiques mal compris. Pour étudier ces instabilités vibratoires lorsque l'écoulement est diphasique, un certain nombre d'expériences analytiques ont été et continuent à être menées au CEA. Ces expériences analytiques portent sur un tube isolé ou en faisceau, rigide ou flexible, et sur une large gamme de régimes d'écoulement (maquettes AMOVI et DIVA du CEA). Leur objectif est de caractériser ces instabilités vibratoires (mesure des forces exercées sur l'obstacle) en fonction de paramètres globaux de l'écoulement (débit gaz, débit liquide, taux de vide "moyen", etc.) mais aussi de certains paramètres locaux (taux de vide local, taille des bulles, vitesse gaz, etc.). Ces paramètres mesurés ou estimés localement sont ceux qui permettent d'obtenir les adimensionnements les plus pertinents à la fois sur les forces d'excitations aléatoires (spectres d'excitation en diphasique sur tube rigide) et sur les forces de couplage fluide-élastiques (tube flexible seul puis en faisceau). Il reste néanmoins une bande de dispersion sur les résultats obtenus, les mécanismes physiques sont mal compris et ces adimensionnements restent tributaires du choix de la localisation des mesures. L'objectif de la thèse est donc de mettre en oeuvre des simulations numériques avec suivi d'interface dans des configurations proches de celles des expériences analytiques menées au CEA afin d'approfondir l'analyse des phénomènes conduisant aux vibrations des tubes de GV.

  • Titre traduit

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


  • 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.