Magnetic flux distorsion in two-phase liquid metal flow

par Mithlesh Kumar

Thèse de doctorat en Dynamique des fluides

Sous la direction de Philippe Tordjeman et de Wladimir Bergez.

Soutenue le 23-03-2016

à Toulouse, INPT , dans le cadre de École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse) , en partenariat avec Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse (laboratoire) .

Le président du jury était Christophe Airiau.

Le jury était composé de Philippe Tordjeman, Wladimir Bergez, Gérard Vinsard, Laurent Davoust, Thomas Gundrum.

Les rapporteurs étaient Gérard Vinsard, Laurent Davoust.

  • Titre traduit

    Étude d’une méthode de détection de gaz dans du sodium liquide par méthode électromagnétique pour les Réacteurs à Neutrons Rapides au Sodium (RNR Na)


  • Résumé

    Cette thèse se situe dans le cadre du projet ASTRID du CEA. La surveillance de la présence de gaz dans un RNR est importante pour son fonctionnement en toute sécurité. Cette thèse porte sur la détection et la caractérisation de présence de gaz par un débitmètre à distorsion de flux (DDF). Du point de vue technologique, l’objectif est d’évaluer la faisabilité de l’utilisation d’un DDF, et s’il est possible de mesurer le débit et le taux de vide simultanément avec un DDF. Du point de vue de la physique, le DDF mesure la perturbation du flux magnétique due aux courants de Foucault induits par l’hydrodynamique d’un écoulement de liquide conducteur. En présence de vide dans le conducteur, une nouvelle source de perturbation apparaît du fait de la modification, par le taux de vide, de la distribution du champ magnétique. En effet, la présence de vide agit sur les distributions locales de courants électriques dues au couplage des phénomènes d’induction et de forces de Lorentz. Notre objectif est de comprendre la nature de ces couplages et de proposer une méthode qui permette de caractériser la présence de vide à partir du signal de sortie du DDF, de mesurer le taux de vide et d’étudier la sensibilité de cette mesure aux variations des paramètres de l’écoulement et du champ électromagnétique (vitesse et pulsation, en particulier). Dans ce travail, des expériences spécifiques ont été développées pour étudier les effets de la vitesse, du taux de vide et de la pulsation du flux magnétique sur la réponse d’un DDF. Ces expériences modélisent un écoulement diphasique idéal (écoulement piston) consistant en une barre mobile d’aluminium contenant des trous et des cannelures pour simuler le taux de vide. Dans ces expériences la vitesse, le taux de vide et la pulsation sont parfaitement contrôlé et leur domaine de variations sont les suivants : 0<U<1 m/s pour la vitesse, 0< <6.9% pour le taux de vide et 1500<<12000 rad/s pour la pulsation (dans cette gamme de pulsations, on notera que la profondeur de pénétration du champ électromagnétique est de l’ordre de, mais plus petit que, le rayon du barreau d’aluminium). Une méthode d’ellipse-fitting appliqué au signal de sortie du DDF a été utilisée pour caractériser l’effet du taux de vide. Les résultats montrent que le DDF est sensible pour des fractions volumique de vide entre 0.3 % and 6.9% . En outre, la réponse aux variations de taux de vide est insensible à la vitesse du barreau. Cette technique est peu adaptée aux mesures des faibles taux de vide (< 0.1%). Une deuxième approche a été développée, sur la base de l’analyse du signal démodulé du DDF. Cette analyse s’appuie sur un modèle théorique du flux magnétique obtenu par un développement au 1er ordre par rapport à U et a. Ce modèle permet d’interpréter les résultats expérimentaux en termes de contributions de U et a au flux magnétique. Malgré le couplage fort entre l’induction Faraday et les forces de Lorentz, les résultats montrent que les contributions de U et alpha peuvent être séparées correctement pour des petites valeurs du nombre de Reynolds magnétique (Rem < 0.12), et de faible taux de vide ( < 6.9%). Un résultat très important est que la contribution de a sur le flux magnétique est insensible aux variations de vitesse dans cette gamme de Rem . De plus, l’effet de la géométrie du vide a été étudié pour deux configurations : cannelures et trous. Il a été observé que la géométrie du vide n’a pas d’effet sur les variations du flux magnétique avec a. Cette seconde approche est plus sensible aux variations de fraction volumique du vide que la méthode de l’ellipse-fitting. Enfin, des expériences préliminaires avec un liquide métallique (galinstan) contenant des perles de verre, ont été faites et ont montré une bonne sensibilité du signal du DDF avec la vitesse et le taux de vide. En conclusion, ce travail a montré qu’il est possible de mesurer simultanément un taux de vide et un débit pour la gamme de variations des paramètres étudiés.


  • Résumé

    A Generation IV Sodium cooled Fast Reactor (SFR) is being researched and developed at CEA, Cadarache France under the project named ASTRID. Monitoring gas presence in SFR is important with respect to its safe operation. In accordance with the principles of diversity, techniques based on different measurement principles have been proposed. This thesis concerns the detection and characterization of void using magnetic flux perturbation principle. An Eddy Current Flow Meter (ECFM) device is used for this purpose. From the technological point of view, the objective is to evaluate the feasibility of ECFM as a flow and/or void monitoring/characterizing device; and to determine which parameters are of interest and what are the precision of these measurements; and whether it is possible to measure the flow rate and void fraction simultaneously with the same ECFM device. From the physics point of view, the ECFM system involves the magnetic flux perturbation due to voids in the presence of Faraday induction and Lorentz force effects. Therefore ECFM integrated signal contains informations about the void, Faraday induction and Lorentz force effects based perturbation in magnetic flux and their couplings. Our objective is to understand the nature and extent of these couplings. Specific experiments have been developed to study the effects of flow velocity, void fraction and magnetic flux pulsations on the response of an ECFM. It consists in modeling the two-phase flow by a moving aluminium rod (plug flow) with holes and grooves to simulate voids. Flow velocity range of variation was 0<U<1 m/s, void fraction 0<<6.9% and pulsation 1500<<12000 rad/s (for this range of pulsations the electromagnetic skin depth is of order but smaller than the aluminium rod radius). An ellipse fitting method was proposed to analyze the output signal of the secondary coils. The results show that ECFM is sensitive to void fractions between 0.3 % and 6.9%. Furthermore, the response to void fraction is insensitive to the mean velocity of the twophase medium. A second approach based on demodulation analyses of the secondary coils output signal has been developed. We have proposed a theoretical model based on a first order expansion of magnetic flux in U and a. With this model it was possible to interpret the experimental results in terms of contributions of U and a. Despite the strong coupling between Faraday induction and Lorentz force effects, the results show that the contributions of U and a. can be well separated at low magnetic Reynolds number (Rem < 0.12) and low a values ( < 6.9%). A very important result is that the contribution of _ on magnetic flux is insensitive to variations of velocity in this range of Rem. Moreover, different geometries of void have been studied: grooves and holes. It was observed that the geometry of void do not change the variation of magnetic flux with a. This second approach revealed to be more sensitive to void fraction variations than ellipse fitting method. Finally, preliminary experiments with liquid metal galinstan with glass beads were done, which showed sensitivity of ECFM signal with velocity and void. In conclusion, this work has shown that ECFM can measure simultaneously void and velocity in the range of parameters studied, in particular 0.06%< < 6.9%.


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