Développement d'une technique de vélocimétrie laser en trois dimensions par suivi de particules basée sur le principe de défocalisation et son application autour d'obstacles en aval d'une grille.

Development and application of a time resolved 3D particle velocimetry technique around obstacles using defocus concept downstream a spacer grid

• Auteur / Autrice : Raphael Baudoin
• Direction : Nasser Darabiha, Laurent Zimmer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergétique
• Date : Soutenance le 17/12/2015
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques et énergétiques, matériaux et géosciences (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : CentraleSupélec (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'énergétique moléculaire et macroscopique, combustion (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : François Lusseyran
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nasser Darabiha, Laurent Zimmer, Thierry Muller
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Laurent David, Jean-Marc Foucaut

Mots clés

Mots clés contrôlés

Imagerie tridimensionnelle

Turbulence

Mécanique des fluides

Mots clés libres

Particle Tracking Velocimetry

3D

Turbulence

Mécanique des fluides

Particle Tracking Velocimetry

3D

Turbulence

Fluid mechanics

Résumé

Dans le cadre du design des assemblages combustibles, les écoulements turbulents induits par les grilles de maintien provoquent de fortes fluctuations de pression dues aux niveaux de vitesses du fluide induisant la vibration des crayons combustibles. Or ces vibrations sont une source de vieillissement accéléré et d’usure prématurée des assemblages combustibles dont l’origine convient d’être mieux analysée.Dans cette l'optique, des simulations numériques ont été utilisées pour prédire les niveaux de vitesses transverses ainsi que le niveau de turbulence en aval de la grille. Cependant, les codes CFD doivent être validés avec des mesures expérimentales conduisant ainsi à une meilleure compréhension des structures mis en jeu dans le processus de mélange. Or la caractéristique de ce type d'écoulement repose sur son caractère tridimensionnel entre les faisceaux de crayons où l'accès optique est limité et à l'heure actuelle, aucune mesure de vitesse 3D n'a été réalisée. C'est pourquoi nous nous proposons de présenter dans cette étude l'application d'une technique de mesure 3D résolue en temps dans une boucle hydraulique transparente. L’approche consiste à utiliser une stratégie de suivi, dans lequel des particules traceuses individuelles sont d'abord détectées dans l’écoulement et ensuite suivies dans le temps – PTV 3D.Cette thèse présente les résultats obtenus dans une veine d’essais hydraulique en utilisant une approche de suivi à l’aide de deux caméras. Dans un premier temps, une nouvelle extension de la technique de défocalisation permettant de récupérer les positions des particules dans le temps avec une caméra est présentée et la méthodologie pour récupérer les déplacements individuels est décrite. Des cas d’application et de validation de la technique sont présentés afin de mieux quantifier les erreurs de mesures. Ensuite, la boucle hydraulique est introduite et son écoulement caractérisé par des techniques établies de mesure de vitesse. Finalement, les mesures 3D à deux caméras sont réalisées et discutées.

In order to validate the numerical simulation of the mixing phenomena downstream a spacer grid in the reactor core, reaching the 3rd velocity component through experimental studies is of major importance since mechanical structures responses are linked to transverse velocities. Nevertheless the main difficulty relies on applying a non-intrusive velocimetry technique around obstacles composed of a vertical set of rods. So far only 1D and 2D temporal studies have been performed.Hence, numerical methods have been widely used to predict correctly those transverse velocities and the turbulence level downstream the grid. However, CFD codes are to be validated with experimental measurements leading to a better understanding of the detailed flow structure in the mixing process. Therefore we propose to present in this study the application of a 3D time resolved velocity measurement technique to a hydraulic test facility. The approach is to use a tracking strategy, in which individual particles are first detected then followed in time - 3D time resolved Particle Tracking Velocimetry.This PhD Thesis presents results obtained in a hydraulic test section using a tracking based approach with two cameras. At first, a new extension of the defocussing technique to recover particles location in time with one camera is presented and the methodology o get individual velocity vector is then described. Applications and validations of the technique in dedicated flows allow to determinate and quantify measurement uncertainties. Then the hydraulic test section is introduced together with preliminary flow characterization using Laser Doppler Velocimetry or 2D time resolved PIV analysis. Finally, two cameras measurements are reported and post-processing techniques are discussed.