Analyse expérimentale et numérique des écoulements transitoires rapides en présence d’obstacles

Experimental and numerical analysis of fast transient flows in the presence of obstacles

• Auteur / Autrice : Filippo Bentivegna
• Direction : Christophe Corre, Alberto Beccantini, Pascal Galon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides
• Date : Soutenance le 19/07/2024
• Etablissement(s) : Ecully, Ecole centrale de Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (MEGA)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique des fluides et acoustique (Rhône)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Philippe Matas
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Corre, Alberto Beccantini, Pascal Galon, Vincent Faucher
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Éric Goncalves, Annalisa Manera

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réacteurs à eau sous pression

Mots clés libres

Accident par perte de réfrigérant Primaire (APRP)

Réacteur à eau pressurisée (REP)

Onde de raréfaction

Interaction fluide-structure

Simulation numérique

Validation expérimentale

EUROPLEXUS

Installation MADMAX

Diaphragme

Écoulement transitoire

Sûreté des réacteurs nucléaires

Loss of Coolant Accident (LOCA)

Pressurized Water Reactor (PWR)

Rarefaction wave

Fluid-structure interaction

Numerical simulation

Experimental validation

EUROPLEXUS

MADMAX facility

Orifice plate

Transient flow

Nuclear reactor safety

Résumé

Cette thèse de doctorat explore la dynamique de propagation des ondes de détente dans les circuits de réacteurs nucléaires, en se concentrant sur une configuration représentative d'un scénario de type Accident par Perte de Réfrigérant Primaire (APRP) dans les Réacteurs à Eau Pressurisée (REP). L'étude examine les charges de pression transitoires sur les structures internes, en particulier le cloisonnement du cœur du réacteur, induites par les ondes de détente générées par la rupture brutale et totale (rupture guillotine) d'une des tuyauteries du circuit primaire de refroidissement du REP. Cette analyse est menée en combinant des mesures expérimentales sur un banc d'essai de géométrie simplifiée mais représentatif du scénario APRP et des simulations numériques. Ces simulations sont réalisées en faisant appel à une hiérarchie de modèles numériques: 1D, 2D axisymétriques et 3D, avec ou sans prise en compte des mécanismes d'interaction fluide-structure. Les modèles 1D incluent des représentations simplifiées ou modèles d'impédance des obstacles présents dans l'écoulement, indispensables pour réduire les coûts de simulation de la propagation des ondes au travers d'un circuit complet. Ces obstacles sont des diaphragmes de diamètre et d'épaisseur variables, représentatifs des singularités géométriques présentes dans les circuits parcourus par les ondes de détente. La comparaison calcul/expérience permet d'évaluer le potentiel prédictif des différentes stratégies mises en oeuvre. Le Chapitre 1 introductif du mémoire détaille le contexte et la motivation de l'étude menée en mettant en évidence l'importance d'une compréhension approfondie des phénomènes physiques associés au scénario APRP et la nécessité de modèles simplifiés pour simuler l'écoulement de fluides dans les géométries complexes d'un REP. Une revue de la littérature récapitule les principaux travaux dans l'analyse par voie numérique des réacteurs nucléaires et les simulations d'écoulement transitoire. Une anlyse des approches numériques développées pour la propagation d'ondes en présence d'obstacles avec description simplifiée est également menée pour des applications hors contexte nucléaire. Les Chapitres 2 et 3 présentent respectivement i) la plateforme expérimentale MADMAX utilisée pour produire les mesures de référence ainsi que l'évolution de ses configurations au cours de la thèse, ii) les modèles disponibles au sein du logiciel EUROPLEXUS et utilisés pour mener les simulations numériques des configurations étudiées expérimentalement. Le Chapitre 4 détaille les résultats des expériences et des simulations de la propagation des ondes de détente à travers un unique diaphragme de géométrie modulaire. L'impact de la géométrie des obstacles sur la propagation des ondes est analysé et les capacités prédictives de modèles numériques de complexité (et de coût) variable sont évaluées pour cette configuration de base. Le Chapitre 5 élargit l'analyse à la configuration complète de MADMAX, incorporant une conduite de dérivation avec plusieurs diaphragmes positionnés dans cette conduite. La comparaison détaillée des données expérimentales et des résultats des simulations révéle un bon accord dans la capture du comportement transitoire et des différentiels de pression entre les conduites du cœur et de la dérivation. Des configurations alternatives de MADMAX sont explorées dans le Chapitre 6, mettant en évidence les effets de variation du nombre des diaphragmes et de leur emplacement. Les expériences sur la plateforme MADMAX et les simulations EUROPLEXUS réalisées dans le présent travail contribuent à une meilleure compréhension des phénomènes d'écoulement transitoire dans les circuits de réacteurs nucléaires. [...]

This doctoral thesis explores the dynamics of rarefaction wave propagation in nuclear reactor circuits, focusing on a configuration representative of a Loss of Coolant Accident (LOCA) scenario in Pressurized Water Reactors (PWRs). The study examines transient pressure loads on internal structures, particularly the reactor core baffle, induced by rarefaction waves generated by the sudden and complete rupture (guillotine break) of one of the pipes in the primary cooling circuit of the PWR. This analysis is conducted by combining experimental measurements on a test bench with simplified geometry but representative of the LOCA scenario and numerical simulations. These simulations employ a hierarchy of numerical models: 1D, 2D axisymmetric, and 3D, with or without taking into account fluid-structure interaction mechanisms. The 1D models include simplified representations or impedance models of the obstacles in the flow, essential for reducing the simulation costs of wave propagation through an entire circuit. These obstacles are orifice plates of varying diameter and thickness, representative of the geometric singularities present in the circuits traversed by rarefaction waves. The comparison between calculations and experiments allows for evaluating the predictive potential of the various strategies implemented. Chapter 1 of the thesis introduces the context and motivation of the study, highlighting the importance of a thorough understanding of the physical phenomena associated with the LOCA scenario and the necessity of simplified models for simulating fluid flow in the complex geometries of a PWR. A literature review summarizes the main works in the numerical analysis of nuclear reactors and transient flow simulations. An analysis of the numerical approaches developed for wave propagation in the presence of obstacles with simplified descriptions is also conducted for applications outside the nuclear context. Chapters 2 and 3 respectively present i) the MADMAX experimental platform used to produce the reference measurements and the evolution of its configurations during the thesis, ii) the models available within the EUROPLEXUS software and used to perform the numerical simulations of the experimentally studied configurations. Chapter 4 details the results of the experiments and simulations of rarefaction wave propagation through a single modular orifice plate. The impact of obstacle geometry on wave propagation is analyzed, and the predictive capabilities of numerical models of varying complexity (and cost) are evaluated for this basic configuration. Chapter 5 expands the analysis to the complete MADMAX configuration, incorporating a by-pass pipe with several orifice plates positioned in this pipe. The detailed comparison of experimental data and simulation results reveals good agreement in capturing transient behavior and pressure differentials between the core and by-pass pipes. Alternative configurations of MADMAX are explored in Chapter 6, highlighting the effects of varying the number and placement of the orifice plates. The experiments on the MADMAX platform and the EUROPLEXUS simulations conducted in this work contribute to a better understanding of transient flow phenomena in nuclear reactor circuits. The proposed calculations/experiments comparisons provide quantitative indications on the predictive capacity of the simulation codes based on the choices of geometric singularity descriptions present in the flow. The thesis conclusion proposes some avenues for future analysis and improvements.