Simulations numériques directes de la convection naturelle dans un bassin contenant un milieu poreux chauffé

Victoria Hamtiaux1,⋆^{1,\star}, Pierre Ruyer2^{2}, Yann Bartosiewicz1^{1}
⋆^{\star} : victoria.hamtiaux@uclouvain.be
1^{1} Université catholique de Louvain (UCLouvain), Institut de Mécanique, Matériaux et génie Civil (IMMC),1348 Louvain-la-Neuve
2^{2} Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire (IRSN), PSN-RES/SEMIA/LSMA, Cadarache, 13115 Saint-Paul-lez-Durance
Mots clés : Piscines de stockage de combustible usé, Convection naturelle, Simulations numériques directes,
Résumé :

Nous présentons une étude numérique de la convection dans un bassin contenant un milieu poreux chauffé et entouré d’une région de fluide pur.

Des écoulements dans de tels domaines sont rencontrés dans de nombreux phénomènes géophysiques et applications technologiques, tels que les accidents de perte de refroidissement dans les piscines de stockage de combustible usé des centrales nucléaires.

Dans ces piscines, les râteliers métalliques contenant les assemblages de crayons de combustible sont placés près du fond et écartés des parois latérales. Comme les crayons de combustible génèrent encore de la chaleur, des mouvements convectifs complexes s’établissent dans la piscine. Dans cette étude, ces assemblages sont modélisés par un milieu poreux avec une génération volumique de chaleur.

Des simulations numériques directes sont effectuées en utilisant une approche monodomaine, qui introduit la porosité comme une variable de champ et permet la formulation d’un unique système d’équations de transport valables sur l’ensemble du domaine.

Pour tenir compte du transfert de chaleur entre les structures métalliques et l’eau environnante, nous supposons une absence d’équilibre thermique entre la phase solide et la phase fluide à l’intérieur du milieu poreux et résolvons par conséquent une équation d’énergie pour chaque phase.

En éloignant le milieu poreux de la paroi du fond, nous observons un écoulement majoritairement vertical à travers le milieux poreux, nourri par le débit entre le fond du bassin et la base de la matrice poreuse. Cela conduit à une configuration assez spécifique de convection naturelle dans l’ensemble du domaine.

Nous examinons la dynamique de l’écoulement et les flux de chaleur à travers la matrice poreuse, ainsi que les structures de l’écoulement qui se développent au-dessus de la région poreuse.

Finalement, nous comparons ces résultats avec un cas dans lequel la circulation sous le milieu poreux est empêchée en supprimant l’espace entre la base du milieu poreux et le fond. Ceci a un impact significatif sur la distribution de la température et de la vitesse dans la matrice poreuse, qui n’a plus la composante verticale comme direction principale. Le nombre de Nusselt reflétant le processus de transfert de chaleur dans tout le domaine montre également une variation significative qui est interprétée par ce changement de configuration d’écoulement.

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