Etudes numériques et expérimentales des écoulements diphasiques en interaction avec un faisceau de tubes

Numerical and experimental studies of two-phase flows interacting with a bundle of tubes

• Auteur / Autrice : Clément Bazin
• Direction : Christophe Josserand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Ingénierie, mécanique et énergétique
• Date : Soutenance le 21/12/2023
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Mécanique des Solides (Palaiseau ; 1961-....) - Laboratoire de mécanique des solides / LMS
• Jury : Président / Présidente : Olivier Doaré
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Josserand, Éric Goncalves, Hélène Mathis, Sergio Chibbaro, Guillaume Bois, Maria-Giovanna Rodio, Gloria Faccanoni
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Éric Goncalves, Hélène Mathis

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation par ordinateur

Interaction fluide-structure

Écoulement diphasique

Mots clés libres

Écoulement diphasique

Approche multi-Champ

Faisceau de tubes

Simulation numérique

Couplage de modèles

Interaction fluide-Structure

Two-Phase flow

Multi-Field approach

Bundle of tubes

Numerical simulation

Model coupling

Fluid-Structure interaction

Résumé

Les générateurs de vapeur (GV) des centrales nucléaires sont composés de faisceaux de tubes soumis à des écoulements diphasiques eau-vapeur. Les vibrations liées à cette interaction peuvent induire des dommages (fatigue et usure par frottement et chocs) pouvant entraîner de graves conséquences pour la sûreté nucléaire.Dans le cadre de la prévention des risques vibratoires des tubes de GV des études expérimentales sont réalisées à l'aide de faisceaux analytiques de tubes droits soumis à un écoulement transverse diphasique.En parallèle, il est également important de développer un outil de simulation numérique permettant d'accéder à des données et des informations difficilement mesurables.L'objectif de cette thèse est donc de simuler l’interaction entre un fluide diphasique et une structure rigide (tube unique ou faisceau de tubes), à l'aide du code NEPTUNE_CFD. Ces simulations doivent permettre de reproduire le chargement mécanique exercé par le fluide sur les tubes. La modélisation employée dans cette thèse repose sur un modèle à deux-fluides - trois-champs, comprenant un champ liquide continu, un champ de gaz dispersé, composé de bulles peu déformées, et un champ hybride dispersé-continu pour tenir compte des bulles très déformées et des poches de gaz. La première partie de ce travail s'est concentrée sur la validation du couplage diphasique-turbulence liquide ainsi que sur la modification et l'adaptation de la modélisation pour mieux prendre en compte la présence d'une structure immergée. De nouvelles modélisations pour la force de dispersion turbulente, les termes sources de coalescence et fragmentation, la masse ajoutée et le critère d'activation du champ continu ont été proposées. Dans la deuxième partie de ce travail, nous avons simulé l’écoulement diphasique autour d’un tube unique fixe, afin d'en extraire une physique sous-jacente et d'identifier ses limites et lacunes. Enfin, dans la dernière partie de ce travail, nous avons simulé l’interaction d’un écoulement diphasique avec un faisceau de tubes rigides. Les résultats numériques ont été comparés aux mesures expérimentales. Cette approche nous a permis de justifier l'intérêt de notre modélisation, de trouver des similitudes entre les résultats numériques et expérimentaux, tout en proposant des pistes d'amélioration.

The steam generators (SG) in nuclear power plants are made up of bundles of tubes subjected to two-phase water-steam flows. Vibrations related to this interaction can cause damage (fatigue, wear due to friction and shocks) that can lead to serious consequences for nuclear safety.In the context of preventing vibrational risks in SG tubes, experimental studies are conducted using analytical bundles of straight tubes subjected to transverse two-phase flow. In parallel, it is also important to develop a numerical simulation tool to access data and information that are difficult to measure.The goal of this work is to simulate the interaction between a two-phase fluid and a rigid structure (single tube or bundle of tubes) using the NEPTUNE_CFD code. These simulations aim to reproduce the mechanical loading exerted by the fluid on the tubes. The modeling used in this work is based on a two-fluid - three-field model, including a continuous liquid field, a dispersed gas field made up of slightly deformed bubbles, and a dispersed-continuous hybrid field to account for highly deformed bubbles and gas pockets. The first part of this work focused on the validation of the two-phase liquid-turbulence coupling as well as the modification and adaptation of the modeling to better account for the presence of an immersed structure. New models for turbulent dispersion force, source terms of coalescence and break-up, added mass, and the activation criterion of the continuous field were proposed. In the second part of this work, we simulated the two-phase flow around a fixed single tube to extract underlying physics, and identify its limitations and shortcomings. Finally, in the last part of this work, we simulated the interaction of a two-phase flow with a bundle of rigid tubes. The numerical results were compared to experimental measurements. This approach allowed us to justify the relevance of our modeling, find similarities between numerical and experimental results, while also suggesting areas for improvement.