Développement d’une méthode de remontée d’échelle en thermohydraulique diphasique

Development of a two-phase flow up-scaling method in a macroporous medium

• Auteur / Autrice : Tanguy Herry
• Direction : Stéphane Mimouni, Stéphane Vincent
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides
• Date : Soutenance le 14/10/2024
• Etablissement(s) : Université Gustave Eiffel
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Modélisation et simulation multi échelle (Marne-la-Vallée) - Laboratoire Modélisation et simulation multi échelle (Marne-la-Vallée)
• Jury : Président / Présidente : Catherine Colin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphane Mimouni, Stéphane Vincent, Christophe Josserand, Olivier Simonin, Bruno Raverdy, Pierre Ruyer, Bérengère Podvin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christophe Josserand, Olivier Simonin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modélisation CFD

Écoulement en milieux poreux

Analyse multiéchelle

Réacteurs à eau sous pression

Écoulement diphasique

Mots clés libres

Ecoulement diphasique

Modélisation CFD

Approche multi-Échelle

Milieux poreux

Homogénéisation

Two-Phase flow

CFD modeling

Multiscale approach

Porous media

Volume-Average

Résumé

La sûreté des Réacteurs à Eau Pressurisé (REP) est assurée par des études conjointes expérimentales et numériques dans des conditions industrielles nominales et accidentelles. Les études numériques sont réalisées l’aide de codes dits macroscopiques tels que CATHARE, qui prédisent le comportement moyen du fluide dans le réacteur. Cependant, dû aux conditions extrêmes rencontrées dans un REP, les mesures expérimentales sont limitées, ce qui complexifie le développement de modèles pour ces codes basés sur ces expériences. Toutefois, des codes dits locaux permettent de simuler de façon locale les phénomènes se produisant dans les REP, mais sur des géométries à taille réduites dû au coût de calcul plus important de ces simulations. Ainsi, après avoir été validés sur certaines expériences, ces codes permettent d’obtenir des informations complémentaires sur le comportement du fluide.Cette thèse vise à développer une méthode de remontée d’échelle afin d’identifier et de modéliser le phénomène prépondérant à l’échelle macroscopique, en se basant sur des simulations locales. La particularité de cette étude vient du fait de considérer des écoulements diphasiques qui peuvent être rencontrés en situation accidentelles dans le cœur d’un REP, notamment d’ébullition sous-saturée à haute pression.Pour cela, une formulation macroscopique est développée grâce à une moyenne spatiale des équations locales du code Neptune_CFD. Par comparaison avec les formulations des codes macroscopiques existants, il devient possible d’estimer de façon a priori les termes de ces codes par une moyenne spatiale des variables locales simulées. C’est pourquoi une base de données locale de 86 cas tests d’ébullition sous-saturée en conditions industrielles a été construite sur les expériences KIT et PSBT, validée sur la fraction volumique de vapeur moyenne. Tous les termes de la formulation macroscopique sont calculés par une moyenne des variables simulées. Deux informations principales ressortent de cette évaluation, premièrement, les termes de sous-mailles de turbulence et dispersion ne sont pas négligeables par rapport à la convection, et deuxièmement, les termes d’ébullitions et de condensations sont prédominants.Toutefois, les calculs fins ne sont validés que sur une variables moyenne, ce qui est insuffisant pour servir de base au développement d’un modèle macroscopique. Pour cela, une expérience à effet séparée est utilisée sur un des phénomènes prédominants. L’expérience TOPFLOW met en jeu la condensation de bulles de vapeur dans de l’eau sous-saturée, avec des mesures de profils radiaux de fraction volumique et de vitesse vapeur, de diamètre de bulles, et de température liquide. Ensuite, une nouvelle modélisation locale est développée basée sur la méthode des moments avec une hypothèse de polydispersion en taille de bulles. En effet, une distribution en taille de bulles quadratique est utilisée, avec la corrélation de Chen-Mayinger pour la prédiction du nombre de Nusselt, et avec l’introduction d’un modèle de collapse de bulle dû à la condensation. Cette modélisation donne de meilleures prédictions des variables mesurées qu’avec l’hypothèse de monodispersion en taille de bulles, et des prédictions équivalentes à celles obtenues avec la méthode de population de taille de bulles qui implique un temps de calculs plus important. Ainsi, une base de données validée est développée sur les essais TOPFLOW en utilisant cette nouvelle modélisation. Enfin, en se basant sur cette base de données, les modèles macroscopiques existants de condensation sont évalués et de nouveaux modèles sont proposés. Alors que les modèles existants sous-estiment la condensation d’un facteur deux environ, un modèle développé par une approche statistique a permis de réduire l’erreur à 5.5%. Toutefois, ce nouveau modèle devra être évalué de façon a priori sur de nouvelles expériences en condensation, puis de façon a posteriori, afin de valider son intérêt pour les codes macroscopiques

The safety of Pressurized Water Reactors (PWR) is ensured by both experimental and numerical studies in nominal and accidental conditions. The numerical studies are achieved using macroscopic codes, such as CATHARE, which predict the fluid mean behavior in a reactor. However, due to the extreme conditions encountered in PWR, the experimental measurements are limited. Consequently, it is challenging to develop models for macroscopic codes based on these limited data. Nevertheless, local numerical tools are able to simulate the phenomena happening in a PWR at a local scale, but only on reduced-scale geometries due to the high computational cost of these simulations. Therefore, once validated based on experiments, these numerical tools provide complementary information on the fluid behavior.The thesis aims at developing an up-scaling method to identify and model the main physical phenomenon at the macroscopic scale, based on local simulations. The particularity of this study comes from the fact to consider two-phase flows that can be encountered in accidental conditions in PWR, especially sub-cooled boiling flows at high pressure, temperature, and flow rate.The first step of this method is to develop a macroscopic formulation based on the application of a spatial average operator on the local Neptune_CFD equations. Next, this formulation is compared to the existing macroscopic code equations. Based on this comparison, it is then possible to estimate a priori the terms of the macroscopic codes based on a spatial average of the local variables simulated. This is why a local database of 86 sub-cooled boiling test cases conducted in industrial conditions is built on KIT and PSBT experiments, and validated on the mean void fraction. All the terms of the macroscopic formulation are calculated from an average of the simulated variables. Two principal pieces of information emerge from this evaluation: first, the turbulence and dispersion subgrid terms are not negligible compared to the convection, and second, the boiling and condensation terms are predominant.However, the local simulations are validated only on the mean void fraction, which is insufficient for this database to be taken as the basis for the macroscopic model development. To this aim, separate effect tests are used where only the predominant phenomenon plays a key role. The TOPFLOW experiment consists of steam bubble condensation in sub-cooled water, with radial profile measurements of void fraction, gas velocity, bubble diameter, and liquid temperature. Afterward, a new local modeling is developed based on the standard method of moments using a bubble size polydispersion assumption. Indeed, a quadratic bubble size distribution function is used, with the Chen-Mayinger correlation to predict the Nusselt number, and a model for the bubble collapse due to condensation. This modeling provides better results than using the monodisperse assumption and similar predictions to those obtained using a multiple-size group approach, which involves a higher computation cost. Therefore, a validated database is developed in this thesis on the TOPFLOW experiment using this new modeling.Finally, using this database, the existing macroscopic models are evaluated, and some new models are proposed. The existing models considered in this thesis underestimate the condensation by approximately a factor of two, while a new model developed using a statistical approach has reduced the error to 5.5%. Nevertheless, in order to confirm its benefits for macroscopic codes, this new model needs to be evaluated by an a priori method on new condensation test cases and, next, by an a posteriori method