Modélisation thermohydraulique de générateur de vapeur : développement de méthodes de couplage 1D/CFD-Milieux équivalents

Thermal and hydraulic modeling of Steam Generator : development of a method using a 1D/CFD-Porous Media coupling

• Auteur / Autrice : Loïck Kalioudjoglou
• Direction : Bruno Auvity, Vincent Melot, Christophe Josset
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces
• Date : Soutenance le 28/02/2019
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences de l'ingénierie et des systèmes (Nantes Université)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de thermocinétique (Nantes)
• Jury : Président / Présidente : Catherine Colin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Luc Harion, Yves Bertin, Benoît Goyeau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Navires -- Propulsion

Évaporateurs

Transfert d'énergie

Mots clés libres

Tubes-calandre

Résumé

Le Générateur de Vapeur est un des composants majeurs des unités de production d’électricité permettant la propulsion des navires de Naval Group. Les phénomènes physiques mis en jeux dans ces échangeurs sont complexes à simuler en raison de la variété des topologies d’écoulement et des régimes de transfert thermique présents. Cette thèse s’emploie à développer un programme adapté à la modélisation des différents GV de Naval Group. La méthodologie mise en place propose un couplage entre un code 1D et un calcul CFD reposant sur l’approche des milieux équivalents. La modélisation des écoulements monophasiques au sein des échangeurs est abordée dans un premier temps avant de présenter la modélisation des écoulements diphasiques. L’intérêt de la méthode est mis en évidence par sa validation sur des appareils testés expérimentalement et en la confrontant avec d’autres approches numériques existantes. Les travaux proposent des solutions afin de modéliser des GV en serpentin et permettent d’envisager la simulation de géométries plus complexes. Le calcul des efforts hydrauliques et des échanges d’énergies entre le liquide, la vapeur et la paroi est détaillée. Par sa structure, le modèle tend à répondre à l’ensemble des configurations de GV envisageables. Différentes manières d’alimenter le modèle sont proposées en remplacement des corrélations empiriques existantes et permettent d’envisager de nouvelles solutions plus adaptées.

The steam generator is one of the major components of the power generation unit for the propulsion of Naval Group ships. The physical phenomena involved in these heat exchangers are complex to simulate because of the variety of flow patterns and heat transfer regimes. This thesis aims to develop a program adapted to the modeling of Naval Group’s steam generators. The developed methodology proposes a coupling between a 1D-code and CFD calculation based on the porous media approach. The modeling of monophasic flows within heat exchangers is first discussed before presenting that of two-phase flows. The method’s interest is highlighted by its validation on experimental test cases and by comparing it to other existing numerical approaches. The work brings solutions to model helically coiled steam generator and allow to consider the simulation of more complex geometries. The calculation of the hydraulic forces and energy exchanges between the liquid, the vapor and the tube’s wall is detailed. By its structure, the model tends to be able to represent all possible configurations of steam generators. Different ways of feeding this model are proposed to replace the existing empirical laws and make it possible to envisage new and more adapted solutions.