Etude expérimentale de l'ébullition convective en milieu poreux : assèchement et flux critique

par Ange Gourbil

Thèse de doctorat en Energétique et Transferts

Sous la direction de Marc Prat et de Paul Duru.

Le président du jury était Olivier Masbernat.

Le jury était composé de Marc Prat, Paul Duru, Frédéric Lefèvre, Nathalie Marie, Frédéric Topin.

Les rapporteurs étaient Frédéric Lefèvre, Nathalie Marie.


  • Résumé

    Cette thèse est motivée par le besoin de compléter les connaissances actuelles des phénomènes ayant lieu lors d’un renvoi d’eau dans un lit de débris radioactifs, opération appelée « renoyage » et qui intervient dans une séquence d’accident grave où un cœur de réacteur nucléaire est dégradé suite à une perte prolongée de refroidissement primaire. Notre étude, de nature expérimentale, vise à mieux caractériser la crise d’ébullition en convection forcée, dans un milieu poreux chauffant. Le cœur du dispositif expérimental est un milieu poreux modèle quasibidimensionnel, composé de 276 cylindres disposés entre deux plaques de céramique distantes de 3 mm, dont l’une, transparente, permet de visualiser les écoulements. Les cylindres, de 2 mm de diamètre, sont des sondes thermo-résistives qui ont une double fonction : elles sont utilisées comme éléments chauffants et comme capteurs de température. Une boucle fluide permet de contrôler le débit d’injection de liquide dans la section test, la température d’injection ainsi que la pression. La section test est placée verticalement, le liquide est injecté par le bas à une température proche de la saturation. Dans une première série d’expériences, la puissance thermique dissipée globalement par un ensemble de cylindres chauffants est augmentée de façon progressive jusqu’à atteindre l’assèchement d’une zone du milieu poreux. Les résultats montrent deux types de phénoménologies dans le déclenchement de la crise d’ébullition. Pour des débits d’injection faibles (densités de flux massique de l’ordre de 4 kg.m^-2.s^-1 maximum), l’atteinte de la puissance d’assèchement se traduit par un lent recul du front diphasique jusqu’à sa stabilisation en haut de la zone chauffée ; en aval de la zone chauffée, l’écoulement est monophasique vapeur. Pour des débits d’injection plus élevés, la crise d’ébullition apparaît autour d’un des éléments chauffants, conduisant à une ébullition en film localisée, tandis qu’un écoulement diphasique liquide-vapeur continue de parcourir l’aval de la section test. Les visualisations de ces expériences permettent d’identifier qualitativement la structure des écoulements. D’autres expériences consistent à mesurer le flux critique local autour d’un cylindre choisi, pour différentes configurations d’écoulements. Le débit d’injection est fixé. Une puissance de chauffe est imposée à une ligne horizontale de cylindres en amont du cylindre choisi. Les résultats montrent que le flux critique sur ce cylindre diminue en fonction de la puissance délivrée à la ligne chauffée. La distance du cylindre étudié à la ligne chauffée semble avoir peu d’influence sur le flux critique. Des visualisations expérimentales sont utilisées pour caractériser l’écoulement diphasique en aval de la ligne chauffée, dans le but de mettre en relation le flux critique local avec des paramètres hydrodynamiques (saturations, vitesses des phases). Les images obtenues sont difficiles à exploiter. Afin de calibrer les paramètres des algorithmes de traitement d’images, nous avons reproduit une cellule d’essai de géométrie identique à l’originale, mais où l’on injecte du gaz par une ligne de cylindres en amont de la section test dans une configuration d’écoulement diphasique isotherme. Dans ce dispositif, le débit d’injection de gaz est contrôlé et mesuré. Les visualisations obtenues servent alors de références auxquelles sont comparées les visualisations d’ébullition convective.

  • Titre traduit

    Experimental study of flow boiling in porous media : dryout and critical heat flux


  • Résumé

    This work is motivated by the need to better understand the phenomena occurring while some water is injected into a heated porous debris bed. This reflooding operation is a part of the planned mitigation procedure used during a Loss Of Coolant Accident (LOCA) that may occur into a nuclear power plant and results into a severe core damage. Our experimental study aims to characterize the boiling crisis that can happen in a boiling flow taking place within a heatgenerating model porous medium. The test section is a two-dimensional model porous medium, composed of an array of 276 cylinders placed between two ceramic plates spaced from one another by 3 mm, one of which is transparent and allows visualizations of the flow. The 2 mm diameter cylinders are Pt100 resistance temperature detectors that perform a dual function: they act as heating elements (heated by Joule effect) and are also used as temperature probes. A fluid loop allows controlling the liquid injection flow rate, its inlet temperature as well as its pressure. The test section is held vertically, the liquid injected from bottom at a temperature close to the saturation temperature. In a first series of experiments, the thermal power applied to a bundle of heating cylinders is progressively increased until a dry zone is detected in the porous medium. Two kinds of phenomenology are observed during these “dryout experiments”. First, at low liquid injection rate (4 kg.m^-2.s^-1 maximum mass flux), reaching the dryout power results into a liquid front receding down to the upper limit of the heated zone, while downstream the heated zone, the porous medium is vapour-saturated. Second, at higher flow rate, the boiling crisis happens at the surface of a single heating element, resulting in a local film boiling, whereas a two-phase flow still go through the whole test section. High-speed visualizations allow characterizing the flow regimes. Other experiments focus on determining the local critical heat flux on a given cylinder, for different upstream flow configurations. The inlet liquid flow rate is fixed. A thermal power is uniformly applied to a line of heating cylinders, upstream the cylinder under study. Results show that the local critical heat flux decreases as the power applied to the heated line increases. The distance from the cylinder under study to the heated line seems not to have a significant effect on the critical heat flux. Visualizations are used to characterize the two-phase flow upstream the heated line, aiming at expressing the critical heat flux as a function of the hydrodynamic parameters (saturations, phase velocities). The image analysis is particularly challenging. In order to calibrate the image processing parameters, we use a second model porous medium with the same geometry as the heat generating one, but where an isothermal two-phase flow is obtained by injecting gas into the liquid flow rather than generated by boiling. The gas injection flow rate is controlled and measured. Isothermal two-phase flow visualizations provide a reference case and are compared to flow boiling visualizations.


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