Etude de l'éjection de grains hors d'un cylindre pressurisé

Study of the ejection of grains out of a pressurized cylinder

• Auteur / Autrice : Zhenhai Zou
• Direction : Pascale Aussillous, Pierre-Yves Lagrée, Pierre Ruyer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur. Mécanique et physique des fluides
• Date : Soutenance le 16/10/2019
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences pour l'Ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique (Marseille ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut universitaire des systèmes thermiques industriels (IUSTI) (Marseille) - Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire (IRSN) (Fontenay-aux-Roses ; 2002-....)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Gondret
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Iker Zuriguel Ballaz, Pierre Jop, Philippe Lafon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Valérie Vidal, Alain de Ryck

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rhéologie

Équations de Darcy Brinkman Forchheimer

Écoulements granulaires immergés

Réacteurs à eau sous pression

Dynamique des fluides

Mots clés libres

Milieux granulaires

Vidange de silo

Rhéologie d’un milieu granulaire dense

Interaction fluide-Grains

Simulation discrète et continue

Instabilité

Granular media

Discharge

Rheology

Air flow

Discrete simulation

Continuum simulation

Instability

Résumé

Nous considérons un scénario hypothétique d’accident initié par une insertion de réactivité nucléaire entrainant la rupture de la gaine d’un crayon combustible. La violence du contact avec le fluide caloporteur dépendrait fortement du débit de fragment combustible, initialement confiné avec un gaz pressurisé, sortant du crayon. Ce travail de thèse a consisté à étudier cette dynamique en la modélisant par la vidange d’un milieu granulaire hors d’un silo pressurisé. Nous nous sommes d’abord concentrés sur le rôle de la géométrie interne du silo grâce à un fond incliné. Pour un faible angle d’inclinaison, l’orientation de l’écoulement granulaire (donc le débit) est contrôlée par la friction pariétale, tandis qu’une grande inclinaison détermine cette orientation. Nous nous sommes ensuite intéressés au rôle du gaz pressurisé d’abord en imposant une surpression d’air constante puis en considérant un cas transitoire dans lequel une surpression initiale provoque la rupture de l’orifice. Dans les deux configurations, le débit granulaire est mis à l’échelle par une loi de Beverloo modifiée où le gradient de pression du gaz près de l’orifice agit comme une force motrice supplémentaire qui peut être décrite par la loi de Forchheimer. Nous proposons un modèle quasi-stationnaire pour le débit granulaire ainsi qu’une simulation continue basée sur un modèle multiphasique qui reproduisent bien les résultats expérimentaux. A forts débits, nous observons une instabilité du jet, initiée par des oscillations de pression à l’orifice. Enfin nous avons montré que le milieu environnant agit sur la condition de pression à la sortie du silo

We consider a hypothetical scenario of reactivity initiated accident in a nuclear power plant. The violence of the so-called fuel-coolant interaction phenomena depends strongly on the flow rate of particles out of the gas pressurized rod. The aim of this thesis was to study how this discharge rate is driven by the internal geometry and the pressurized gas. We focused firstly on the discharge of a rectangular silo with an inclined bottom. For a small inclination angle, the granular flow orientation is controlled by the wall friction, whereas a large inclination angle fully determines this orientation. Secondly, we focused on two configurations with pressurized gas : a case with constant gas overpressure at the top of the silo and a more transient case for which an initial larger overpressure initiates the rupture of an orifice. The granular flow rate increases significantly with the gas flow, especially for the finer particles and the large overpressures. In both cases, the flow rate scales with a modified Beverloo law where the gas pressure gradient near the outlet acts as an additional driving force. The pressure gradient is well described by a Forchheimer resistance law through the granular medium. We therefore propose a quasi-steady model for the transient description of the granular flow rate. The two configurations were successfully reproduced by numerical simulations based on a continuum multiphase model. For the larger flow rates, instabilities of the granular jet were found to be initiated by pressure oscillations in the outlet region. The presence of water surrounding the silo only acts through an additional hydrostatic pressure effect