Simulation d’un écoulement disperse vapeur/gouttes dans un tube vertical et comparaison de différents modèles de transfert liquide/paroi

Juan Esteban Luna Valencia2^{2}, Arthur Oliveira3^{3}, Alexandre Labergue1^{1}, Tony Glantz2^{2}, Michel Gradeck1,⋆^{1,\star}
⋆^{\star} : michel.gradeck@univ-lorraine.fr
1^{1} Université de Lorraine
2^{2} IRSN
3^{3} University of São Paulo
Mots clés : APRP, Modèle mécanistique, Déposition des gouttes,NECTAR, COLIBRI
Résumé :

Lors d’un accident hypothétique de perte de réfrigérant primaire (APRP) dans un réacteur à eau pressurisée, de l’eau est injectée dans la cuve du réacteur afin de refroidir le cœur. Au cours de ce processus dit de renoyage, un front de trempe ascendant s’établit dans le cœur. Sous ce front les crayons combustibles sont directement en contact avec de l’eau liquide et sont refroidit par ébullition nucléée. La vapeur générée avec l’évaporation du liquide entraîne des gouttes, créant un écoulement dispersée vapeur gouttes. Les phénomènes thermo-hydrauliques produits entre cet écoulement et la paroi chaude des crayons de combustible limitent sa montée en température et leur bonne connaissance est donc un enjeu essentiel pour la sûreté nucléaire. Afin de les caractériser, une boucle expérimentale, appelée COLIBRI, a été construite et permet de déterminer les flux de chaleur extrait d’une paroi chaude par un écoulement vapeur/goutte à une échelle représentative d’un sous-canal fluide d’un cœur (espace délimité par 4 crayons de combustible) dans des conditions thermo-hydrauliques typiques d’un APRP. De plus, un code appelé NECTAR, basé sur une approche mécaniste, a été développé afin de simuler l’ensemble des phénomènes thermo-hydrauliques se produisant dans la boucle COLIBRI. Ce code a été validé sur la base d’une première campagne expérimentale réalisée sur la boucle COLIBRI, un bon accord entre les résultats calcul/expérience ayant été obtenu. Par ailleurs, lors de cette validation, il a été mis en évidence l’importance des gouttes dans le refroidissement des crayons, car le flux de chaleur extrait par impact de gouttes calculé par le code pouvait contribuer jusqu’à 10% du flux de chaleur total extrait par l’écoulement diphasique. Pour ce calcul, le modèle proposé par Gradeck et al. a été utilisé pour estimer le transfert de chaleur d’une goutte lors de l’impact et la corrélation de Hewitt et Owen pour estimer le flux de gouttes impactant la paroi. Lors de cette première campagne, la fraction volumique des gouttes et le flux massique des gouttes étaient dans la plage basse des valeurs attendues lors d’un APRP (αg\alpha_{g}=10^-4,mg, m_{g}=0.75kg/h). C’est pourquoi, la boucle COLIBRI a été modifiée afin d’augmenter la fraction volumique des gouttes et le débit massique des gouttes (αg\alpha_g=2.10^-3,mg, m_g=7.7kg/h). Le but de cet article est de comparer les résultats numériques obtenus avec NECTAR avec les résultats expérimentaux en ce qui concerne le flux thermique total extrait à la paroi dans ces nouvelles conditions d’écoulement. D’autre part, différents modèles pour déterminer le flux de gouttes impactant une paroi (corrélation de Yang et Lee ou de Hewitt et Owen) ainsi que différentes corrélations pour déterminer l’énergie extraite par l’impact du goutte sur une paroi (modèles de Breitenbach et al., Gradeck et al. ou Guo et Mishama) ont été testés avec le code NECTAR. Les résultats obtenus seront comparés entre eux et discutés dans cet article.

doi : https://doi.org/10.25855/SFT2023-110

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