Contribution au développement d'une Approche Prédictive Locale de la crise d'ébullition

Hervé Lemonnier

Description

Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8

• mémoire

THÈSE En vue de l'obtention du DOCTORAT DE L'UNIVERSITÉ DE TOULOUSE Délivré par l'Institut National Polytechnique de Toulouse Discipline ou spécialité : Energétique et Transferts JURY Mr Hervé Lemonnier (Rapporteur) Mr Cees van der Geld (Rapporteur) Mr Lounes Tadrist (Président) Mr Jean-Louis Marié (Membre) Mme Catherine Colin (Membre) Mr Pierre-Antoine Haynes (Membre) Mr Pierre Péturaud (Membre) Ecole doctorale : Mécanique, Energétique, Génie civil et Procédés Unité de recherche : Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse Directeur(s) de Thèse : Mme Catherine Colin et Mr Pierre-Antoine Haynes (co-directeur) Rapporteurs : Mr Hervé Lemonnier et Mr Cees van der Geld Présentée et soutenue par Michaël MONTOUT Le 21 janvier 2009 Titre : Contribution au développement d'une Approche Prédictive Locale de la crise d'ébullition

• modélisation de l'ébullition


• chef du groupe i84


• modèles mécanistes


• résultats des simulations numériques d'essais debora


• écoulements convectifs


• essais debora retenus


• modélisation des écoulements diphasiques bouillants dans le code neptune

Sujets

• Mémoire
• Caruso
• Vibrations
• Laviéville
• Guelfes et gibelins
• Haynes

Informations

• Publié par: profil-feym-2012
• Publié le: 01 janvier 2009
• Nombre de lectures: 95
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 7 Mo

Extrait

THÈSE


En vue de l'obtention du

DOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ DE TOULOUSE DOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ DE TOULOUSE

Délivré par l'Institut National Polytechnique de Toulouse
Discipline ou spécialité : Energétique et Transferts


Présentée et soutenue par Michaël MONTOUT
Le 21 janvier 2009

Titre : Contribution au développement d'une Approche Prédictive Locale de la crise
d'ébullition

JURY
Mr Hervé Lemonnier (Rapporteur)
Mr Cees van der Geld (Rapporteur)
Mr Lounes Tadrist (Président)
Mr Jean-Louis Marié (Membre)
Mme Catherine Colin (Membre)
Mr Pierre-Antoine Haynes (Membre)
Mr Pierre Péturaud (Membre)


Ecole doctorale : Mécanique, Energétique, Génie civil et Procédés
Unité de recherche : Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse
Directeur(s) de Thèse : Mme Catherine Colin et Mr Pierre-Antoine Haynes (co-directeur)
Rapporteurs : Mr Hervé Lemonnier et Mr Cees van der Geld

Remerciements
Je tiens à remercier en premier lieu, Madame Catherine Colin, Professeur à l’Institut National Po-
lytechnique de Toulouse et directrice de thèse, et Messieurs Pierre-Antoine Haynes et Pierre Péturaud,
Ingénieurs-Chercheurs à EDF R&D et encadrants de thèse. Ils ont constitué a mes yeux un “trio de choc”
sur lequel j’ai toujours pu compter que ce soit d’un point de vue technique ou d’un point de vue humain.
Je leur adresse toute ma sympathie et ma reconnaissance.
Je remercie Monsieur Lounes Tadrist, Professeur à l’Université Aix-Marseille 1, pour avoir assuré
la présidence du jury. J’adresse mes remerciements tout particuliers à Monsieur Hervé Lemonnier, Di-
recteur de recherche au Commissariat à l’Energie Atomique (CEA) et Monsieur Cees Van der Geld,
Professeur au Technishe Universiteit d’Eindhoven qui ont accepté de juger ce mémoire en tant que rap-
porteur. Je souhaite également remercier Monsieur Jean-Louis Marié, Chargé de recherche à l’Ecole
Centrale de Lyon, pour avoir bien voulu participer au jury de thèse.
Mes travaux de thèse ont été réalisés au centre de R&D d’Electricité de France de Chatou (78), au sein
du groupe VIbrations et Thermohydraulique des Echangeurs et des Cœurs (I84 - VITEC) du département
Mécanique des Fluides, Energies et Environnement (MFEE), anciennement département Mécanique des
Fluides et Transferts Thermiques (MFTT). Je remercie Messieurs Olivier Marchand, Chef du départe-
ment (MFTT) et Franck David, Chef du groupe I84 de m’y avoir accueilli.
Je souhaite remercier les membres du projet NEPTUNE, Marc Boucker, Jérome Laviéville et Sté-
phane Mimouni, Ingénieurs-Chercheurs à EDF R&D, pour l’aide qu’ils m’ont apportée tout au long de
ces trois années.
Je remercie également l’ensemble des agents du groupe I84 ainsi que les personnes qui, de près ou
de loin, ont participé à la réalisation de ce projet. Mon travail à leur côté fût un plaisir.
Je tiens finalement à remercier Messieurs Pascal Mialon, Chef du département MFEE, Ange Caruso,
Chef-Adjoint du département MFEE, Antoine Guelfi, Chef du groupe I84 et Samuel Pitot, Ingénieur-
Chercheur du groupe I84 pour la confiance qu’ils ont témoignée à mon égard.
Je dédie cette thèse à ma famille qui de part son soutien inconditionnel me permet de m’accomplir
un peu plus chaque jour.
cTable des matières
Nomenclature o
Introduction 1
1 Le code NEPTUNE_CFD 9
1.1 Modélisation des écoulements diphasiques bouillants dans le code NEPTUNE_CFD . . 9
1.1.1 Les équations de conservation locales moyennées . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.1.2 Équation de transport d’aire interfaciale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.1.3 Lois de fermeture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.2 Évaluation de la modélisation du code NEPTUNE_CFD adoptée sur des données expéri-
mentales DEBORA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.2.1 Description du dispositif expérimental DEBORA . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.2.2 Essais DEBORA retenus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.2.3 Modélisation/simulations des essais DEBORA . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.2.4 Résultats des simulations numériques d’essais DEBORA . . . . . . . . . . . . . 31
2 Modélisation de l’ébullition nucléée sous-saturée convective 53
2.1 Généralités sur les configurations d’écoulements bouillants convectifs et les mécanismes
de l’ébullition nucléée sous-saturée convective . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.1.1 Configurations d’écoulements bouillants convectifs . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.1.2 Cycle d’ébullition nucléée sous-saturée convective . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.2 Représentation/modélisation de l’ébullition nucléée sous-saturée . . . . . . . . . . . . . 61
2.2.1 Les corrélations empiriques monodimensionnelles . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.2.2 Les modèles mécanistes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
2.3 Conclusions sur la modélisation des écoulements bouillants convectifs . . . . . . . . . . 93
3 Évaluation des modèles mécanistes d’ébullition nucléée de Kurul et Podowski et Basu et al. 95
3.1 Choix d’une “corrélation de référence” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
3.2 Analyse quantitative des modèles mécanistes d’ébullition nucléée de Kurul et Podowski
et Basu et al. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
3.2.1 Comparaison de la modélisation “standard” des modèles mécanistes . . . . . . . 107
3.2.2 Analyse de sensibilité des modèles mécanistes à leurs paramètres principaux . . 119
3.3 Conclusion sur l’évaluation des modèles mécanistes d’ébullition nucléée de Kurul et
Podowski et Basu et al. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
4 Bilan des forces agissant sur une bulle en croissance sur une paroi verticale chauffante pour
des écoulements convectifs 129
4.1 Prédiction des diamètres de détachement et de décollage d’une bulle - État de l’art . . . . 129
eTABLE DES MATIÈRES
4.2 Modélisation des forces appliquées à une bulle en croissance sur une paroi chauffante
pour un écoulement vertical ascendant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
4.2.1 Les différentes forces en présence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
4.2.2 Modélisation des forces adoptée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
4.3 Méthode de résolution du bilan des forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
4.3.1 Considérations générales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
4.3.2 Principes de résolution du bilan des forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
4.3.3 “Fermeture” du système à deux équations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
4.4 Prédiction des diamètres de détachement et de décollage à partir du bilan des forces . . 154
4.4.1 Comportement du bilan des forces (modélisation “complète”) . . . . . . . . . . 155
4.4.2 Poids respectif des différentes forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
4.4.3 Simplification du bilan des forces au moment du détachement/décollage de la
bulle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
4.4.4 Confrontation de la modélisation simplifiée à des données expérimentales et des
corrélations/relations de la littérature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
4.4.5 Écriture de relations pour les diamètres de détachement et de décollage . . . . . 176
4.5 Conclusions sur l’exploitation d’un bilan des forces agissant sur une bulle en croissance
sur une paroi verticale chauffante pour des écoulements convectifs . . . . . . . . . . . . 180
5 Vers une amélioration de la modélisation du modèle mécaniste d’ébullition nucléée sous-
saturée convective 183
5.1 Motivations conduisant à l’élaboration d’un nouveau modèle d’ébullition nucléée sous-
saturée convectif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
5.2 Présentation/description du nouveau modèle d’ébullition nucléée sous-saturée convective 185
5.3 Étude comparative sur les te