Étude expérimentale et modélisation des pertes de pression lors du renoyage d’un lit de débris

par Rémi Clavier

Thèse de doctorat en Hydrologie, Hydrochimie, Sols, Environnement

Sous la direction de Michel Quintard et de Florian Fichot.

Le président du jury était Lounès Tadrist.

Le jury était composé de Michel Quintard, Florian Fichot, Didier Lasseux, Harold Auradou, Jean-Paul Laurent.

Les rapporteurs étaient Didier Lasseux, Harold Auradou.


  • Résumé

    Ce travail de thèse porte sur l’étude des pertes de pression pour des écoulements monophasiques et diphasiques inertiels au travers de milieux poreux. Son objectif est d’aider à la compréhension et à la modélisation des transferts de quantité de mouvement à l’intérieur de lits de particules, en lien avec la problématique de la gestion d’un accident grave dans un réacteur nucléaire. En effet, lors d’un tel accident, la dégradation du coeur du réacteur peut amener celui-ci à s’effondrer pour former un lit de débris, que l’on peut assimiler à un milieu poreux à haute température et dégageant de la chaleur. Ce travail de thèse s’inscrit dans un projet de recherche en sûreté nucléaire visant à prédire la refroidissabilité d’un lit de débris par injection d’eau, ou « renoyage ». Une étude expérimentale des pertes de pression pour des écoulements monodimensionnels monophasiques et diphasiques à froid est proposée dans des situations représentatives du cas réacteur, en termes de granulométrie, de formes de particules et de vitesses d’écoulement. Les expériences réalisées apportent un complément important aux données existantes, en permettant notamment d’explorer les domaines d’écoulements diphasiques avec nombres de Reynolds liquides non nuls, tout en mesurant le taux de vide, ce qui est essentiel pour une modélisation. Des modèles prédictifs pour les pertes de pression à l’intérieur d’écoulements monophasiques et diphasiques au travers de lits de particules sont établis à partir des structures d’équations obtenues par une prise de moyenne volumique des équations de conservation locales. L’observation des écoulements monophasiques montrent que des lois de type Darcy-Forchheimer avec une correction quadratique en vitesse de filtration sont à même de prédire les pertes de pression avec une précision supérieure à 10%. Une étude numérique a montré que ce résultat est applicable pour un lit désordonné de particules peu rugueuses. L’étude des écoulements diphasiques montre qu’une structure d’équations de type Darcy-Forchheimer généralisée, incluant des termes supplémentaires pour prendre en compte les effets inertiels et les frottements interfaciaux, permet de reproduire le comportement des pertes de pression dans cette situation. Un nouveau modèle est proposé, et comparé aux données expérimentales et aux modèles utilisés dans les codes de simulation des accidents graves.

  • Titre traduit

    Experimental study and modelling of pressure losses during reflooding of a debris beds


  • Résumé

    This work deals with single and two-phase flow pressure losses in porous media. The aim is to improve understanding and modeling of momentum transfer inside particle beds, in relation with nuclear safety issues concerning the reflooding of debris beds during severe nuclear accidents. Indeed, the degradation of the core during such accidents can lead to the collapse of the fuel assemblies, and to the formation of a debris bed, which can be described as a hot porous medium. This thesis is included in a nuclear safety research project on coolability of debris beds during reflooding sequences. An experimental study of single and two-phase cold-flow pressure losses in particle beds is proposed. The geometrical characteristics of the debris and the hydrodynamic conditions are representative of the real case, in terms of granulometry, particle shapes, and flow velocities. The new data constitute an important contribution. In particular, they contain pressure losses and void fraction measurements in two-phase air-water flows with non-zero liquid Reynolds numbers, which did not exist before. Predictive models for pressure losses in single and two-phase flow through particle beds have been established from experimental data. Their structures are based on macroscopic equations obtained from the volume averaging of local conservation equations. Single-phase flow pressure losses can be described by a Darcy-Forchheimer law with a quadratic correction, in terms of filtration velocity, with a better-than-10 % precision. Numerical study of single-phase flows through porous media shows that this correlation is valid for disordered smooth particle beds. Twophase flow pressure losses are described using a generalized Darcy-Forchheimer structure, involving inertial and cross flow terms. A new model is proposed and compared to the experimental data and to the usual models used in severe accident simulation codes.


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