Ecole Doctorale

SCIENCES POUR L'INGENIEUR : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique

Spécialité

« Sciences pour l'ingénieur » : spécialité « Mécanique et Physique des Fluides »

Etablissement

Aix-Marseille Université

Mots Clés

Modélisation,Jet de gaz sous-détendu,RNR-Na,diphasique,

Keywords

modelization,under-expanded gas jet,SFR,multiphase,

Titre de thèse

Modélisation d'un jet de gaz dans le collecteur sodium des échangeurs à plaques compacts sodium gaz des réacteurs nucléaires de la filière RNR-Na
Simulation of a gas leakage at the Compact plates Sodium-Gas heat Exchangers (ECSG) in the frame of Sodium-cooled Fast nuclear Reactors (SFRs)

Date

Mercredi 2 Octobre 2019 à 10:00

Adresse

pl. Jean Santini, 13115 SAINT PAUL LEZ DURANCE salle polyvalente

Jury

Directeur de these M. Jean-Denis PARISSE CReA / AMU
Rapporteur M. Yannick HOARAU ICube (UMR 7357), Université de Strasbourg
Rapporteur M. Eric GONCALVèS DA SILVA ISAE-ENSMA, institut Pprime, UPR 3346 CNRS
Examinateur Mme Ana CAMEIRAO Ecole nationale supérieure des mines Saint-Étienne

Résumé de la thèse

Cette thèse s’inscrit dans le cadre des études sur le système de conversion d’énergie du projet d’ASTRID. Dans le cas d’un système de conversion d’énergie innovant, l’Echangeur de Chaleur sodium / gaz (ECSG), met en jeu de l’azote à 180 bars et du sodium à 5 bars. En cas de brèche dans la paroi séparant les deux fluides (entre deux canaux dans la partie courante), cet écart de pression génère un jet de gaz dans le sodium liquide. L’exploitation de ce type de composant nécessite de détecter / localiser / caractériser tout fonctionnement dégradé. Pour cela, des méthodes acoustiques sont en cours de développement au CEA. Ces méthodes nécessitent des connaissances profondes sur les structures de jets de gaz sous-détendus (la distribution de bulles, le disque de Mach etc). Dans ce programme de travail, l’objectif de cette thèse est de développer un outil numérique capable de décrire finement la structure du jet (la distribution des bulles, le disque de Mach etc) en fonction du débit de la fuite de gaz. Dans un jet de gaz dans un liquide, il existe une couche de gouttelettes issues du liquide et une couche des bulles de gaz. Le modèle de Baer-Nunziato est alors choisi car c’est le modèle le plus adapté pour cette étude. De plus, la diffusion visqueuse, l’échange de quantité de mouvement entre les deux phases sont également pris en compte. Le modèle développé est résolu avec des schémas aux volumes finis. Le problème de Riemann pour les deux phases est résolu par le solveur de Rusanov. Le modèle développé et ses schémas numériques sont implémentés dans le logiciel CANOP, qui permet de générer le raffinement de maillage adaptatif et de calculer en parallèle. La capacité du code à reproduire jets de gaz sous-détendu est validée. La structure du jet monophasique est cohérente avec les corrélations empiriques, la diffusion visqueuse raccourci la taille de du disque de Mach en raison du changement du comportement au niveau d’injecteur. Pour un jet diphasique, les corrélations empiriques obtenues à partir des jets monophasiques ne sont pas adaptées. Cet outil numérique reste à améliorer par une prise en compte d’une distribution non-uniforme des tailles des phases dispersées et de la fragmentation des phases dispersées etc.

Thesis resume

This thesis is in the frame of the study of the energy conversion system for the ASTRID project. In the case of an innovative energy conversion system, the Sodium / Gas Heat Exchanger (ECSG), involves nitrogen pressure is 180 bar and sodium one is 5 bar. In case of a breach in the exchanger wall which separates the two fluids (between two fluids channels), this high-pressure difference could generate a gas jet submerged into liquid sodium. The exploitation of this type of component requires detecting / locating / characterizing any degraded cases. In order to achieve this objective, the acoustic methods are being developed at CEA. These methods require deep knowledge of the structure of under-expanded gas jets (bubble distribution, Mach disk, etc.). Under this work program, the objective of this thesis is to provide a numerical tool that enables to describe the structure of the jet (bubble distribution, Mach disk, etc.) as a function of the flow rate of the gas leak. In a gas jet submerged into a liquid, there is a layer of liquid droplets issue from the entrainment by the gas and a layer of gas bubbles. The Baer-Nunziato model is then chosen as the starting model. In addition, the viscous diffusion, the momentum exchange between the two fluids are taken into account in the present work. The developed model is solved with the finite volume schemes; the Riemann problem for the two-phase flow is solved by Rusanov solver. The developed model and its numerical schemes are implemented in the CANOP software, which enables to generate the adaptive mesh refinement and to compute in parallel. The capability of the code to reproduce under-expanded gas jets is validated. The structure of the monophasic jet is consistent with the empirical correlations; the viscous diffusion shortens the size of the Mach disk due to the change of flow behavior inside nozzle. For a two-phase jet, the empirical correlations obtained from monophasic jets are not suitable anymore. This numerical tool remains to be improved in some directions, for example, to take the distribution of non-uniform bubbles and break-up of particles owning to the shock waves into consideration.