LES ECOULEMENTS ET TRANSFERTS DE CHALEUR DIPHASIQUES DANS LES REACTEURS NUCLEAIRES

1
LES ECOULEMENTS ET TRANSFERTS DE CHALEUR
DIPHASIQUES DANS LES REACTEURS NUCLEAIRES

• ECHANGES INTERFACIAUX
• D. Bestion
• Le frottement interfacial
• Autovaporisation
• Condensation par contact Direct

2
Les équations du modèle 1D à 2 fluides
Le frottement interfacial ?ik ( ou force de
traînée) est la composante stationnaire des
forces interfaciales en écoulement établi
3
Modéliser le frottement interfacial

• Dépend de la structure des interfaces (régime
  découlement)
• Doit être modélisé dans la gamme 0lt?lt1,
  0.1ltPlt16MPa, 0.01ltDhlt0.75m

Souvent simplifié en
EX. carte découlement (Mandhane)
4
Ecoulements à phases séparéesstratifié ou
annulaire
?
5
Ecoulements à phases séparéesstratifié ou
annulaire
Stratifié
Kowalski
?
Suzanne
Annulaire
Wallis
6
Ecoulements dispersé à gouttes
Population homogène de gouttes sphériques
Coefficient de traînée
Nécessité de corréler aussi le diamètre de goutte
ex critère de fractionnement
7
Ecoulement annulaire avec entraînement de gouttes
ou
Nécessité de corréler le taux dentraînement
Ex modèle de Steen Wallis
Seuil dentraînement
Taux dentraînement
8
Modèles à vitesse de dérive (drift flux)
Il faut modéliser le coefficient de profil Co et
la vitesse de dérive Vgj Quand dans une
expérience on mesure Jv, Jl et ?, on trace Vv(J)
et on obtient une valeur de Co et Vgj
9
Du  drift flux  au frottement interfacial
Impulsion Totale du mélange
Elimination du gradient de pression impulsion
croisée
10
Du  drift flux  au frottement interfacial
Ecoulement permanent établi à faible vitesse
Impulsion Totale la mesure du gradient de
pression donne le taux de vide
Impulsion croisée équilibre entre forces de
frottemment interfacial et de flottabilité
11
Traduire un modèle de  drift flux  en
frottement interfacial
Elimination de la force de flottabilité
12
Modèle de  drift  en tube

• Observations à Dh0.1m et 0.13m
• Rupture de pente pour ? ? 0.23
• Régime bulles probable à ? lt 0.23
• Régime churn suspecté à ? gt 0.23
• Vgj churn dépend de la pression
• Vgj churn dépend du diamètre
• Co proche de 1 en churn

Dh0.1m 0.5 lt P lt 5 Mpa
Dh0.13m 2 lt P lt 10 Mpa
13
Modèle de  drift  en tube

• Observations à Dh0.012
• Vgj indépendant de la pression
• Co proche de 1.2 en churn
• Vgj et Co bouchon retrouvé

• A petit Dh tendance au régime bouchon
• A plus grand Dh tendance au régime churn
• Vgj churn dépend de la pression
• Vgj churn dépend du diamètre

14
Modèle de  drift flux  en tube pour
bulles-bouchons churn
Code Cathare

• Faible diamètre (D lt 0.04m)
• bulles (?? lt 0.25)
• bouchons (?? lt 0.25)

• Fort diamètre (D gt 0.04m)
• bulles (?? lt 0.25)
• churn bulles distordues (?? lt 0.25)

15
Modèle de  drift  en grappe

• Observations à 0.012m lt Dh lt 0.032m
• Rupture de pente pour faibles ? comme en tube
  bulles probables
• Régime churn suspecté à plus fort ?
• Vgj churn dépend de la pression
• Vgj churn dépend du diamètre
• Co proche de 1 en churn

16
Modèle de  drift flux  en grappe pour
bulles-bouchons churn
Code Cathare

• Pas de bouchons en grappe
• bulles (?? lt 0.25)
• grosses bulles distordues percées par les crayons

 
17
Modèle de  drift  en grappe

• Comparaison modèle-expérience
• Grappe cœur en dénoyage (PERICLES
• Grappe cœur en décompression (CANON)
• Grappe GV (PATRICIA

18
LAUTOVAPORISATION

• vaporisation dun liquide ou dun mélange eau
  vapeur par dépressurisation

LES ETATS STABLES ET METASTABLES DE LEAU ET SA
VAPEUR
19
Dépressurisation et transferts interfaciaux

• Lefficacité des transferts conditionne le temps
  de retour à léquilibre stable et la cinétique de
  vaporisation (? ?10-3 s)
• Importance de la germination (apparition des
  premières interfaces et de laire interfaciale
  volumique

G Hl Fli Fvi G Hv
20
Importance de lautovaporisation dans les études
de sûreté des réacteurs

• Cas général dépressurisation lente
• On peut considérer que ? 0 et TlTvTsat
• Cas particulier dépressurisation rapide du
  fluide qui passe à une brèche la chute de
  pression subie se fait sur une échelle de temps
  comparable à ? ?10-3
• Nucléation homogène apparition spontanée de
  micro-bulles par processus de fluctuation locale
  de grandeurs thermodynamique
• Nucléation hétérogène développement dinterfaces
  à partir dimpuretés, de microbulles
  dincondensables, de micro-cavités dans les
  parois
• La nucléation hétérogène nécessite de moindres
  surchauffes et intervient le plus souvent avant
  la Nucléation homogène

21
Débits critiques vitesses soniques

• 6 vitesses caractéristiques velocities 
• Vv vitesse de transport de Hv
• Vl vitesse de transport de Hl
• W - Cs, W Cs vitesses de propagation de
  pression
•  W - C?, W C? vitesses de propagation de taux
  de vide

A ?U/?t B ?U/?x C Det(B - ? A) f(?) 0

• Les vitesses caractéristiques W - Cs, W Cs
  sont les vitesses de propagation des ondes de
  fréquence infinie qui sont vite amorties en
  diphasique
• Les ondes de pression sont dispersives en
  diphasique (la vitesse de propagation depend de
  la fréquence ou nombre donde)
• En diphasique des ondes de pression de faible
  fréquence contrôlent le blocage de débit

22
Débit critique en tuyère

• Très sensible à lautovaporisation en liquide
  sous-refroidi
• Très sensible au frottement interfacial à fort
  titre
• Très peu sensible à la masse ajoutée qui
  contrôle Cs
• Débit bloqué pour V/Cs lt1

Le débit critique est contrôlé par les termes
source dautovaporistion et de frottement
interfacial
23
Modélisation des transferts interfaciaux en
autovaporisation
Bilan dénergie à linterface
G Hl Fli Fvi G Hv
Importance de modéliser ?li , ai et Hli en
fonction de la structure de lécoulement
24
Dépouillement dessais en tuyère
Impulsion Totale du mélange
Mesure de dP/dZ Estimation de ?p
dVl/dz
d?/dz
?
25
Modèle mécaniste

• Hypothèses
• Transfert par convection sur bulles
• Taille uniforme des bulles
• Croissance des bulles jusquà un rayon limite de
  fractionnement
• Nombre volumique de bulle initial no10-10 m-3

26
Modèle mécaniste
Le modèle de convection (trait plein ne rend pas
bien compte des valeurs expérimentales de ? pour
2 essais SUPER MOBY DICK Un modèle de conduction
autour des bulles (trait pointillé) ne fait pas
mieux
27
Modèle semi-empirique

• Hypothèses
• Vaporisation retardée jusquà P 0.98 Psat
• ai Hli fonction dimensionnelle des variables
  principales
• ai Hli peu dépendant de P et Dh
• ai Hli croît avec ?

28
Comparaison des modèles sur les données obtenues
dans 4 géométries
29
Prédictions des débits critiques
Modèle de convection moins bon globalement que
le Modèle semi-empirique
30
Discussion sur les modèles

• Difficultés de modéliser avec un modèle 1-D à 6
  équations
• Un seul diamètre de bulle
• Répartition radiale de bulles
• Influence de la turbulence
• Effet du convergent sur la turbulence
• Nucléation
• Effets bidimensionnels
• Rajouter équations de transport (turbulence, ai,
  ?)?
• Description 2-D ?
• Sinon
• Un modèle semi-empirique est un meilleur
  compromis

31
CONDENSATION PAR CONTACT DIRECT

• CONDENSATION PAR CONTACT DIRECT
• mise en contact de liquide sous-refroidi (Tl lt
  Tsat)
• avec de la vapeur
• AUTRES FORMES DE CONDENSATION
• Condensation homogène (en masse)
• formation de brouillard par dépressurisation
  jusquà Tv lt tsat
• Condensation en paroi
• Condensation à gouttes
• Condensation en film

32
CLASSIFICATION DE BLOCK

• 4 REGIMES DE CONDENSATION PAR CONTACT DIRECT
• RT gt 1 Condensation totale possible
• OSC Oscillation dinterface
• FL Fluctuations ou pulsations dinterface
• IS Interface stationnaire
• RT lt 1 Condensation totale impossible
• EI Excursion dinterface
• Carte découlements à 3 paramètres Mv, Ml,
  ?TlTsat-Tl

33
CLASSIFICATION DE BLOCK

• RT grand Condensation totale possible
• Couplage thermo-mécanique fort
• Ecoulement potentiellement instable
• Phases séparées interface réduite
• RT petit Condensation totale impossible
• Couplage thermo-mécanique faible
• Ecoulement stable
• Interface importante emportée par lécoulement
• La structure de linterface dépend de la capacité
  du liquide à évacuer la chaleur déposée par la
  condensation
• Le régime dépend aussi des caractéristiques de
  lalimentation en vapeur
• P Cste favorise interface stable
• Mv Cste favorise oscillations

34
CLASSIFICATION DE BLOCK
Mv
RT 1
FL
EI
OSC
IS
Ml
?T
?T
OSC
OSC
IS
FL
FL
RT 1
RT 1
EI
Ml
EI
Mv
35
Injection de vapeur dans une piscine
PCte
MvCte
Mv
Mv
Mv
FL
IS
OSC

• Le régime dépend des caractéristiques de
  lalimentation en vapeur
• P Cste favorise interface stable
• Mv Cste favorise oscillations

36
Injection dans une branche horizontale
Ml
Mv
RT 1

• Programmes expérimentaux
• Combustion Eng. (1/5, 1/3)
• Westinghouse (1/14, 1/3
• CREARE. (1/20, 1/10)
• COSI
• UPTF (1/1)
• 3 régimes identifiés
• OSC Oscillation dinterface
• FL Fluctuations ou pulsations dinterface
• EI Excursion dinterface

Mv
FL
Bouchon stationnaire
hystéresis
EI
OSC
Bouchon oscillant
Ml
37
Remplissage downcomer
FL
RT 1
Mv
Bypass complet

• Programmes expérimentaux
• CREARE. (1/15, 1/30)
• BATELLE. (1/15, 2/15)
• UPTF (1/1)
• 3 régimes identifiés
• OSC Oscillation dinterface
• FL Fluctuations ou pulsations dinterface
• EI Excursion dinterface

OSC
EI
Remplissage intermittent Par Bouchon
Remplissage continu
IS
Ml
38
Remplissage downcomer
Flooding sans condensation
Flooding avec condensation
Jv
Jvcond
Jl
f efficacité de la condensation
39
Remplissage downcomer
Jv
B f ?Tl 1
Instabilité Hystérésis
B f ?Tl 0,5
B f ?Tl 0
Jl
40
Condensation en écoulement stratifié

• Expériences Canal rectangulaire horizontal ou
  incliné co-courant ou contre-courant
• On observe plusieurs situations
• Interface lisse
• Petites vagues bidimensionnelles
• Vagues tridimensionnelles
• Entraînement partiel de leau en contre-courant
• Les modélisations montrent
• Importance de la turbulence dans le liquide
• source de turbulence à linterface
• influence de la condensation sur létat de
  linterface
• Interaction thermo-mécanique

41
Modélisation de la Condensation en écoulement
stratifié contre-courant incliné
Segev
Bankoff
42
Expérience COSI Injection de Secours
Zone A Recirculation par effet de densité et
entrainement par la vapeur Zone B forte
turbulence due au jet condensation très
forte Zone C écoulement stratifié
43
Expérience COSI Injection de SecoursCOSI_alf.mpg
Zone B
Zone C
44
Destabilisation dinterface par condensation
A forte sous-saturation et fort taux de
turbulence liquide, apparaissent des burst de
condensation qui semblent venir aléatoirement
45
CONCLUSIONS

• Les situations de CCD à fort Rt sont difficiles à
  modéliser on a identifié les influences
  qualitatives de paramètres caractéristiques des
  instabilités
• Les situations de CCD à plus faible Rt sont plus
  faciles à modéliser
• en prenant en compte leffet de la turbulence
  dans le liquide
• en prenant en compte leffet du frottement
  interfacial sur la turbulence interfaciale
• linfluence de la condensation sur la
  déstabilisation de linterface