Modélisation d'aspersion d'eau sur les explosions hydrogène-air prémélangées, turbulence et ondes de choc

Modeling of water sprays effects on premixed hydrogen-air explosion, turbulence and shock waves

• Auteur / Autrice : Guodong Gai
• Direction : Abdellah Hadjadj
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergie
• Date : Soutenance le 02/11/2020
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation : Institut national des sciences appliquées Rouen Normandie (Saint-Etienne-du-Rouvray ; 1985-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Complexe de recherche interprofessionnel en aérothermochimie (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime ; 1967-....)
• Jury : Président / Présidente : Ashwin Chinnayya
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Abdellah Hadjadj, Nabiha Chaumeix, Jean-Michel Ghidaglia, Sergey Kudriakov, Stéphane Mimouni, Vincent Moureau, Olivier Thomine
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nabiha Chaumeix, Jean-Michel Ghidaglia

Mots clés

Mots clés contrôlés

Atomisation

Turbulence

Simulation des grandes échelles

Ondes de choc

Particules (physique)

Collisions (physique nucléaire)

Gouttes

Hydrogène (combustible)

Mots clés libres

Explosion d’hydrogène

Système d’aspersion nucléaire

Ecoulement chargé de particules

Onde de choc

Hydrogen Explosion

Nuclear Spray System

Particle-laden Flow

Shock-wave

Résumé

Cette thèse de doctorat est dédiée au développement de modèles physiques pour l’étude des systèmes d’aspersion de gouttelettes d’eau en milieu réactif d’hydrogène-air pré-mélangée dans les centrales nucléaires. Des modèles d’ordre réduit sont développés pour décrire l’évaporation des gouttelettes d’eau dans la flamme, la dispersion des nuages de particules après le passage des ondes de choc et l’évolution de l’échelle caractéristiques de turbulence avec la présence d’un jet d’eau. Une nouvelle méthodologie est proposée pour évaluer les effets de l’évaporation par l’aspersion sur la propagation de la flamme d’hydrogène turbulente à l’intérieur d’un volume fermé et un modèle simple est développé pour la quantification de la décélération de la vitesse laminaire avec l’évaporation des gouttelettes à l’intérieur de la flamme. Également, un modèle analytique est proposé pour la prédiction de la dispersion de nuage de particule après le passage d’une onde de choc en s’appuyant sur le one-way formalisme avec une extension afin de prédire l’apparition d’un pic de densité du nombre de particules en utilisant le two-way formalisme. En ce qui concerne la modulation de la turbulence induite par les particules, un modèle simple est utilisé pour l’estimation des échelles intégrales de la turbulence induites par l’injection de nuage des particules. Ces modèles numériques développés peuvent être couplés pour être mis en œuvre dans les simulations numériques à grande échelle de l’effet du système d’aspersion sur les explosions accidentelles d’hydrogène dans les centrales nucléaires.

This PhD dissertation is dedicated to develop simple models to investigate the effect of water spray system on the premixed hydrogen-air combustion in the nuclear power plants. Specific simple models are developed to describe the water droplet evaporation in the flame, particle cloud dispersion after the shock wave passage, and turbulence length scale evolution with the presence of a water spray. A methodology is proposed to evaluate the spray evaporation effects on the propagation of the turbulent hydrogen flame inside a closed volume and a simple model is developed for the quantification of the laminar velocity deceleration with the droplets evaporation inside the flame. An analytical model is proposed for the prediction of particle cloud dispersion after the shock passage in the one-way formalism and another analytical model is dedicated to describe the spray-shock interaction mechanism and predict the appearance of a particle number density peak using the two-way formalism. A review of the important criteria and physical modelings related to the particle-induced turbulence modulation is given and a mechanistic model is used for the estimation of the turbulent integral length scales induced by the injection of particle clouds. These developed numerical models can be coupled to implement in the large-scale numerical simulations of the spray system effects on the accidental hydrogen explosions in the nuclear power plants.