Modélisation numérique d’écoulements diphasiques avec changement de phase : application au cas de fissures modèles

Numerical modeling of two-phase flows with phase change : application to model cracks

• Auteur / Autrice : Germain Davy
• Direction : Stéphane Vincent, Etienne Reyssat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides
• Date : Soutenance le 29/03/2022
• 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 Modélisation et simulation multi échelle (Marne-la-Vallée)
• Jury : Président / Présidente : Bérengère Podvin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphane Vincent, Etienne Reyssat, Yann Bartosiewicz, Stéphane Mimouni, Didier Lasseux, Marica Pelanti, Sébastien Tanguy
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yann Bartosiewicz

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transfert de chaleur

Écoulement diphasique

Mécanique des fluides

Condensation

Mots clés libres

Condensation

Mécanique des fluides numérique

Multi-Régimes

Remontée d'échelle

Rugosité

Fissures

Roughness

Upscaling

Cracks

Condensation

Computational fluid dynamics

Multi-Regimes

Résumé

La compréhension et la modélisation des écoulements diphasiques en milieu confiné (micro-canaux, mini-canaux ou fissures) est un problème majeur pour de nombreuses industries, dont l'industrie nucléaire. En effet, dans une centrale nucléaire, lors d'un accident par perte de réfrigérant primaire, de la vapeur d'eau et des produits de fission sont libérés dans l'enceinte de confinement. Dans le cas d'une enceinte à double paroi (sans liner métallique), l'augmentation de la température et de la pression peut conduire à l'ouverture de fissures pré-existantes et la formations de nouvelles fissures (ouverture d'environ 100 microns) dans la paroi interne, à travers lesquelles sont susceptibles de s'échapper des produits de fission. Deux phénomènes peuvent avoir un impact sur le débit de fuite de gaz. Le premier est la condensation de vapeur sur la paroi interne et dans les fissures, à l'origine du colmatage partiel ou total de ces dernières par le liquide. Le second est la dilatation thermique du béton, à l'origine d'une éventuelle modification de l'ouverture de fissure. La présente thèse s'intéresse au phénomène de condensation de vapeur dans des fissures modèles de géométrie fixée. L'expérience a montré que, en milieu confiné, selon l'ouverture et les conditions aux limites, la condensation pouvait conduire à la formation de gouttes, de films et/ou de slugs (bouchons liquides). Un nouveau modèle pour les écoulements à petites gouttes, petites bulles et grandes interfaces déformables est d'abord proposé et implémenté dans le code neptune_cfd, développé par EDF R&D. Ce modèle combine une approche sous-maille pour les gouttes et les bulles, et une approche interface résolue pour les grandes interfaces déformables. Il présente l'avantage de permettre une taille de cellules supérieure à celle des plus petites structures de l'écoulement. Il est décliné en deux versions, l'une utilisant deux champs informatiques et l'autre utilisant quatre champs informatiques.Les deux versions du modèle développé sont ensuite validées dans différents cas, impliquant gouttes, bulles et/ou grandes interfaces, dont un cas de condensation de vapeur en présence d'air dans un mini-canal lisse rectiligne. En outre, la version deux champs du modèle développé est utilisée pour étudier l'effet de la rugosité et de la tortuosité sur le transfert de chaleur avec changement de phase en milieu confiné et en régime laminaire. Enfin, un modèle unidimensionnel est proposé comme alternative aux versions deux et quatre champs du modèle trois dimensions développé initialement. En effet, ce dernier reste coûteux numériquement et serait donc difficilement utilisable pour des calculs en conditions industrielles. Le modèle une dimension proposé s'appuie sur des corrélations développées en trois dimensions pour inclure l'effet de la rugosité sur le transfert de chaleur avec changement de phase en régime laminaire. Il est validé par comparaison à la version deux champs du modèle trois dimensions dans différentes configurations géométriques

The understanding and modeling of two-phase flows in confined geometries like mini-channels and cracks is a major issue for many industries, including the nuclear industry. Indeed, in a nuclear power plant, in the event of a loss-of-coolant accident, steam and fission products would be released in the containment building. In the case of a double wall concrete containment building (without steel liner), the increase in pressure and temperature could lead to the opening of preexisting cracks and to the creation of new cracks (opening about 100 microns) in the inner wall, through which gas and fission products could escape. Two phenomena could have an impact on the gas leakage rate. The first is steam condensation on the inner wall and inside the cracks, which could result in their clogging by drops, films and/or slugs. The second is concrete thermal deformation, which could result in variations in the crack opening.The present work focuses on steam condensation in model cracks of fixed geometry. Experiments have shown that, in confined geometries like mini-channels and cracks, depending on the opening and on the boundary conditions, condensation could lead to the formation of droplets of variable size, films and slugs (also called capillary bridges). A new model for flows with small droplets, small bubbles and large deformable interfaces is first proposed and implemented in the neptune_cfd code, developed by EDF R&D. This model combines a sub-grid approach for the droplets and bubbles, and an interface capturing approach for the large deformable interfaces, and therefore allows for cell sizes larger than the smallest flow structures. It is declined in two distinct versions, one using two computational fields and another using four computational fields.Both versions of the model developed are then validated in different cases, involving droplets, bubbles and/or large interfaces, including one corresponding to steam condensation in the presence of air in an idealized smooth rectilinear mini-channel. In addition, the two-field version of the model developed is used to investigate the effect of roughness and tortuosity on laminar two-phase heat transfer with phase change in confined geometries. Finally, a one-dimensional model is proposed as a practical alternative to the two- and four-field versions of the three-dimensional model initially developed, which remains computationally expensive and could hardly be used for industrial calculations. The one-dimensional model proposed builds up on correlations developed in three dimensions for the impact of roughness on dynamics and heat transfer with phase change in the laminar flow regime. It is validated against the two-field version of the three-dimensional model in various geometrical configurations