Etude expérimentale de la dynamique couplée des forces et champs de pression et de vitesse en écoulements complexes et turbulents

Experimental study of the coupled dynamics of forces and pressure and velocity fields in complex and turbulent flows

• Auteur / Autrice : Naz Turankök
• Direction : Lionel Rossi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides
• Date : Soutenance le 09/05/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Service d'études mécaniques et thermiques (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2021-....) - Service de technologie des composants et des procédés (Cadarache, Provence Alpes Côte d'Azur)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l'ingénierie et des systèmes (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Mickaël Bourgoin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yassin A. Hassan, Laurent David, Henda Djeridi, Élisabeth Longatte, Vincent Faucher
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yassin A. Hassan, Laurent David

Mots clés

Mots clés contrôlés

Vélocimétrie laser Doppler

Vélocimétrie par images de particules

Fluorescence

Turbulence

Réacteurs à eau sous pression

Fluctuations (physique)

Mots clés libres

Fluctuation de pression

Turbulence

Fluctuation de vitesse

Grille

Réacteurs à eau pressurisée (REP)

Pressure fluctuations

Turbulence

Velocity fluctuations

Grids

Pressurized Water Reactors (PWR)

Résumé

La production d'énergie nucléaire contribue à la production d'électricité décarbonnée et à la réduction de l'utilisation des énergies fossiles. Les réacteurs les plus utilisés à échelle industrielle sont les réacteurs à eau pressurisée (REP). La production d'énergie dans les REP commence dans le cœur du réacteur où les assemblages combustibles produisent de la chaleur (circuit primaire) qui est transformée en vapeur (circuit secondaire) pour produire de l'électricité via des turbines. Les assemblages combustibles sont formés de nombreux crayons. Des grilles d'espacement maintiennent les crayons ensemble. Elles assurent l'intégrité structurale des assemblages combustibles. En plus du support structurel, elles créent un espacement entre chaque crayon et génèrent un brassage dans l'écoulement. Sur chaque grille se trouvent différents éléments tels que des bossettes et des ressorts qui supportent les crayons. On peut également trouver des ailettes qui favorisent le mélange de l'écoulement. Dans le cœur des réacteurs, le fretting est un phénomène dû à l'interaction entre le fluide et la structure. Avec le vieillissement des grilles, les vibrations conduisent au fretting par contacts entre les crayons et les éléments de grille. Le fretting grille-crayon est l'une des causes majeures de la dégradation de la couche externe des crayons de combustibles. Ceci est donc important pour la conception et l'exploitation des centrales nucléaires. Pour étudier la physique derrière ce phénomène, il est nécessaire d'étudier les forces exercées sur les crayons par l'écoulement. Pour cette étude, une installation expérimentale nommée CALIFS 5x5 est utilisée au CEA, Cardarache, France. CALIFS est une boucle d'essais analytique basse pression équipée de 5x5 crayons. L'échelle de CALIFS est de 2,81 par rapport à un REP, ce qui génère une résolution spatiale plus élevée pour les mesures de l'écoulement. Les grilles de maintien analytiques sont simplifiées. Pour cette étude, deux configurations différentes de grille d'espacement sont utilisées : avec ou sans ailettes. La caractérisation de l'écoulement turbulent est réalisée en mesurant la pression et la vitesse autour du crayon central. CALIFS a un accès optique sur trois côtés permettant des mesures optiques. Pour les mesures de vitesse, les technique PIV avec RIM et LDV sont utilisées. Avec ces mesures, les propriétés de vitesse de l'écoulement sont étudiées à la fois en tant que champ et point par point. Pour les mesures de pression, des capteurs de pression piézorésistifs sont utilisés. Les mesures de pression sont effectuées à l'aide d'un capteur de pression et d'un dispositif multicapteur nouvellement développé. Avec le dispositif multicapteur, la pression est mesurée instantanément avec plusieurs points dans l'écoulement pour l'étude des événements de pression et de leur mouvement. Pour compléter les mesures séparées, des mesures simultanées de pression et de PIV sont effectuées afin d'étudier le lien entre la pression et la vitesse. Les événements périodiques sont représentés par des spectres de fluctuations de pression et de vitesse. L'origine de ces événements périodiques est illustrée à l'aide de mesures PIV. Ces événements périodiques sont liés à des tourbillons dans la zone en aval des bossettes. Ces allées tourbillonnaires sont caractérisées par leur nombre de Strouhal. La relation entre le nombre de Strouhal et le nombre de Reynolds (variant de 13200 à 108800) est caractérisée pour les deux configurations étudiée. La taille de ces tourbillons est quantifiée avec une échelle de longueur intégrale pour les fluctuations de vitesse et de pression montrant la cohérence des signaux de pression et vitesse. De plus, les fluctuations de pression mesurées sur le crayon s'avèrent être convectées par l'écoulement comme le démontre les mesures de pression multi-capteurs et les corrélations croisées entre les mesures simultanées de vitesse et de pression.

Nuclear energy production is one way to decrease the use of carbon fossils for the energy production. Pressurized Water Reactors (PWR) are most common type of reactor in commercial use for power production. The energy production in PWR starts from the reactor core where fuel assemblies produce the heat (primary circuit) that is transformed to vapour (secondary circuit) to produce electricity via turbines. The fuel assemblies are formed from many rods. Spacer grids held the fuel rods together. They maintain the structural integrity of the fuel assemblies. In addition to the structural support, they create spacing between each rod and generate mixing in the flow. On each mesh of spacer grids different elements are found such as dimples, springs (to support the fuel rods) and possibly mixing vanes enhance the mixing in the flow. In Pressurized Water Reactors, grid-to-rod fretting is a phenomenon occurring due to fluid-structure interaction. With the aging of the grids, vibrations lead to fretting by contacts between the rods and the grid elements. Grid-to-rod fretting is one of the major reason for the degradation of the outer layer of the fuel rods and this then of importance for the conception and exploitation of nuclear power plants. To investigate the physics behind this phenomena, it is necessary to study the forces exerted on the fuel rods by the flow. For this study an experimental rig named as CALIFS 5x5 is used in CEA, Cadarache, France. CALIFS is an analytical low-pressure experimental rig with 5x5 rod bundle. The scale of CALIFS is 2.81 compared to PWR which generates a higher spatial resolution for the flow measurements. The rod bundle are held with analytical spacer grids with simplified design. For the current study, two different configurations of spacer grid are used: With Mixing Vane (WMV) and No Mixing Vane (NMV).The characterization of the turbulent flow is performed by measuring the pressure and velocity around the central rod. CALIFS has optical access (Perspex windows) on three sides permitting optical measurements. For velocity measurements Particle Image Velocimetry with Refractive Index Matching and Laser Doppler Velocimetry methods are used. With these measurements, velocity properties of the flow are investigated both as a field and as point by point. For pressure measurements, piezoresistive pressure sensors are used. The pressure measurements are performed using single pressure sensor and a newly developed multi-sensor device. With the multisensor device, the pressure is measured instantaneously with multiple points in the flow for the investigation of the pressure events and their transport. To complement separate pressure and velocity measurements, simultaneous pressure and PIV measurements are performed to investigate the coupling between pressure and velocity. Periodic events are shown in spectra of pressure and velocity fluctuations. The origin of these periodic events is explored using PIV measurements. These periodic events are shown to be connected to eddies in the wake zone downstream the dimples. These eddy streets are characterized by their Strouhal number and a map is built for Reynolds number from 13200 to 108800. The size of these eddies are quantified with the integral length scale and are observed to be connected to the velocity fluctuations. The relation between the velocity and the pressure fluctuations are characterized by the periodic length scale. Moreover, pressure fluctuations measured on the rod are found to be convected by the mean flows, are as the identified eddies.