Modélisation de l'interaction combustible-réfrigérant : fragmentation et explosion de vapeur

Modelisation of fuel-coolant interaction : fragmentation and vapor explosion

• Auteur / Autrice : Gabriel Gay
• Direction : Eric Daniel, Christophe Fochesato
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur. Mécanique et physique des fluides
• Date : Soutenance le 03/07/2020
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'Ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut universitaire des systèmes thermiques industriels, IUSTI (Marseille) - Laboratoire de Modélisation des Accidents Graves LMAG (CEA Cadarache)
• Jury : Président / Présidente : Éric Goncalves
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gloria Faccanoni
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Ashwin Chinnayya, Nicolas Rimbert

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation par ordinateur

Écoulement polyphasique

Écoulement instationnaire (dynamique des fluides)

Mécanique des fluides

Dynamique des fluides

Mots clés libres

Ecoulements multiphasiques

Explosion de vapeur

Simulation numérique

Multiphase flows

Vapor explosion

Numerical simulation

Résumé

La simulation de l'interaction combustible-réfrigérant à l'échelle mésoscopique fait intervenir de nombreux phénomènes instationnaires couplés. Dans le but d'améliorer la fiabilité et la prédictivité des modèles de fermetures à cette échelle, il est aujourd'hui envisagé de réaliser des simulations détaillées pour étudier les phénomènes locaux. Cette thèse s'inscrit dans cette démarche comme un premier travail de développement de l'outil de calcul micro-SCONE, dédié à la compréhension des phénomènes locaux d'une explosion de vapeur. Suivant un plan de développement proposé permettant de donner une priorité aux effets compressibles, de transferts de chaleur et de changement de phase, la construction de l'outil et la modélisation ont été menées en parallèle. Le choix a été fait de s'orienter vers la famille de modèles compressibles à interfaces diffuses. Cependant, les déclinaisons existantes, basées sur différentes hypothèses d'équilibres de l'écoulement, peuvent ne pas être en adéquation avec les besoins spécifiques liées à notre application. En particulier, dans ce travail, les capacités du modèle à l'équilibre thermomécanique ont été mises en défaut. Par la suite, c'est le modèle à l'équilibre mécanique qui a été retenu, puis étendu de manière à prendre en compte les transferts de chaleur par conduction. Ce modèle a été couplé à une méthode de changement de phase basée sur l'équilibre des potentiels de Gibbs. Finalement, ce travail aura permis de poser les fondements de l'outil de calcul micro-SCONE et de contribuer au développement des modèles qui permettent de traiter les écoulements multiphasiques impliqués dans l'explosion de vapeur à l'échelle locale

Simulation of fuel-coolant interaction at mesoscale involve unsteady coupled phenomena. In this context, fine fragmentation of fuel during a vapor explosion is modeled by closure laws. To enhance reliability and predictability of these laws, it is now possible to consider detailed simulations to study the local phenomena involved. This PhD, as the first work of this project, had for goals to set the modelisation context and the first software developments of micro-SCONE. It is a code dedicated on the understanding of local phenomena involved in small scale vapor explosions. For this purpose, we proposed a development plan oriented towards compressibility, heat transfers and phase change effects. Compressible diffuse interface models family has been chosen. However, some declinaisons of models in this family exist based upon equilibrium hypothesis which can make them unsuitable for our application. In particular, in this work, we have demonstrated the inability of the thermomecanical equilibrium model to meet our needs. Thereafter, the mecanical equilibrium model has been selected and expanded to take into account conduction heat transfer. Then, this model has been coupled to a phase change method based on Gibbs potential equilibrium. Finally, this work has settled the fundamentals of the micro-SCONE software and has contributed to the development of multiphase flow models for small scale vapor explosion simulations