UNE INTRODUCTION AUX ´ ECOULEMENTS DIPHASIQUES Occurrence industrielle et r´ eg

UNE INTRODUCTION AUX ´ ECOULEMENTS DIPHASIQUES Occurrence industrielle et r´ egimes d’´ ecoulement HERVE LEMONNIER DTN/SE2T, CEA/Grenoble, 38054 Grenoble Cedex 9 T´ el. 04 38 78 45 40 herve.lemonnier@cea.fr, herve.lemonnier.sci.free.fr INSTN, d´ ecembre 2009 SOMMAIRE DU COURS (1/2) • Les syst` emes diphasiques dans l’industrie et la nature • Les configurations d’´ ecoulement diphasiques • Les techniques de mesure du taux de vide (α) • Les premiers mod` eles de calcul du taux de vide Occurrence industrielle et r´ egimes d’´ ecoulement 1/74 SOMMAIRE DU COURS (2/2) • Les ´ equations de bilan • Les mod` eles monodimensionnels (1D) • Les pertes de pression par frottement • Les m´ ecanismes de transferts de chaleur en ´ ebullition • La condensation de vapeur pure Ouvrage de r´ ef´ erence recommand´ e : Delhaye (2008). Occurrence industrielle et r´ egimes d’´ ecoulement 2/74 LA THERMOHYDRAULIQUE • Etude des transferts des ´ ecoulements et des transferts de chaleur (coupl´ es), de l’anglais thermal-hydraulics • Phase : ´ etat de la mati` ere caract´ eris´ e par des propri´ et´ es thermodynamique distinctes • Diphasique : qui comprend un m´ elange de deux phases (two-phase flow) • Exemple : l’eau et l’air, l’huile et l’eau, l’eau et sa vapeur, le p´ etrole brut (polyphasique, multiphase flows). Occurrence industrielle et r´ egimes d’´ ecoulement 3/74 LE CEA/GRENOBLE • CEA : Commissariat ` a l’Energie Atomique (15000 p) • CEA/Grenoble : cr´ e´ e en 1956 par Louis N´ eel (4000p/2300 CEA) • Le Service des Transferts Thermiques cr´ e´ e par Henri Mondin • La Direction de l’´ energie nucl´ eaire (5000 p) • Le D´ epartement d’´ etudes des r´ eacteurs (400 p, Cadarache, Grenoble) • Le Service de simulation en thermohydraulique (SSTH) • Le Service d’´ etudes exp´ erimentales en thermohydraulique (SE2T) • Equipes d’accueil pour le Master EP Occurrence industrielle et r´ egimes d’´ ecoulement 4/74 LES SERVICES DE THERMOHYDRAULIQUE • Analyse de la sˆ uret´ e des r´ eacteurs (CATHARE). • Ecoulements diphasiques bouillants 3D (Neptune). • Ecoulements monophasiques, diphasiques, 3D avec transferts de chaleur (TRIO-U). • Etudes : R´ eacteurs Nucl´ eaires de seconde, troisi` eme, quatri` eme g´ en´ erations, propulsion navale. Propulsion cryog´ enique. • Etudes analytiques des ´ ecoulements bouillants et de la croise d’´ ebullition (DEBORA). • Qualification thermohydraulique des combustibles nucl´ eaires(OMEGA). • D´ eveloppement d’instrumentation pour les ´ ecoulements monophasiques et diphasiques. Un mod` ele ne peut d´ ecrire que des quantit´ es mesurables Applications→mod` eles→validation exp´ erimentale→instrumentation. Occurrence industrielle et r´ egimes d’´ ecoulement 5/74 L’INFORMATION SCIENTIFIQUE • Comment r´ esoudre un probl` eme technique ? • Les livres, les revues (p´ eriodiques) : les biblioth` eques. • Les soci´ et´ es scientifiques : ´ editent les revues, organisent des manifestations (actes, proceedings). – La Soci´ et´ e fran¸ caise de l’´ energie nucl´ eaire – La Soci´ et´ e hydrotechnique de France – La Soci´ et´ e fran¸ caise de thermique – L’American nuclear society, thermal-hydraulics division (NURETH) • L’anglais ... Occurrence industrielle et r´ egimes d’´ ecoulement 6/74 SYSTEMES DIPHASIQUES INDUSTRIELS ET NATURELS (1/4) • G´ enie nucl´ eaire (dimensionnement, sˆ uret´ e, assainissement) – Perte de r´ efrig´ erant primaire (APRP-LOCA) – Accidents graves en et hors cuve – D´ econtamination par mousse – Retraitement des d´ echets • G´ enie p´ etrolier : production diphasique – Transport – Pompage – Comptage (d´ ebitm´ etrie) – Proc´ ed´ es de raffinage • G´ enie p´ etrolier : sˆ uret´ e – Sˆ uret´ e des installations – Stockage des hydrocarbures Occurrence industrielle et r´ egimes d’´ ecoulement 7/74 SYSTEMES DIPHASIQUES INDUSTRIELS ET NATURELS (2/4) • G´ enie chimique – Traitement des eaux (aire interfaciale et temps de s´ ejour) – Contacteurs gaz-liquide (film ruisselant, air-lift) – M´ elange et s´ eparation – Sˆ uret´ e : emballement thermique • Automobile – Atomisation carburant diesel – Combustion moteur diesel – Erosion de cavitation : direction, injecteurs • Thermique industrielle – Echangeurs de chaleur : ´ evaporateurs, condenseurs – Chaudi` eres (flux critique) Occurrence industrielle et r´ egimes d’´ ecoulement 8/74 SYSTEMES DIPHASIQUES INDUSTRIELS ET NATURELS (3/4) • Am´ enagements hydrauliques, eau/eaux us´ ees – Transitoires de remplissage des ouvrages de distribution des eaux – Amor¸ cage des siphons • Espace – Stockage des ergols cryog´ eniques – Refroidissement des moteurs cryog´ eniques – Coups de b´ elier – Cavitation des turbopompes Occurrence industrielle et r´ egimes d’´ ecoulement 9/74 SYSTEMES DIPHASIQUES INDUSTRIELS ET NATURELS (4/4) • M´ et´ eorologie – M´ ecanique des orages, nuages de pluie et orages – Echanges oc´ ean-atmosph` ere, formation des a´ erosols • Vulcanologie – Ecoulement de lave critique dans la chemin´ ee – Explosion de vapeur – Nu´ ees ardentes (V´ esuve) • Nivologie – Avalanches – Maturation de la neige (triphasique) Occurrence industrielle et r´ egimes d’´ ecoulement 10/74 REACTEUR NUCLEAIRE                                                                   ! "   # $   % & #   %      "        !      • Dimensionnement : GV : ´ echanges diphasiques et pertes de pression RTGV : ´ ecoulement critique, soupape IFS : sollicitations et dispositifs anti-vibrations • Sˆ uret´ e : Perte de r´ efrig´ erant primaire (LOCA), temp´ erature des gaines, sc´ enario dimensionnant • D´ econtamination : Cuve, GV, minimisation des effluents : mousse Occurrence industrielle et r´ egimes d’´ ecoulement 11/74 COMBUSTIBLE NUCLEAIRE • Pastilles combustibles • Crayon ≈10 mm de diam` etre (premi` ere barri` ere de confinement) • Assemblage 17 × 17 • Barres de contrˆ ole • Longueur ≈4 m` etres • Coeur ≈4 m de diam` etre • Echange par convection forc´ ee • Puissance 3000 ÷ 5000 MW Occurrence industrielle et r´ egimes d’´ ecoulement 12/74 GENERATEUR DE VAPEUR • Echangeur tubulaire primaire/secondaire (seconde barri` ere de confinement) • ≈ 5000 tubes de 50 mm de diam` etre, longueur 10 m • Pression 155bar-70 bar • 3 ou 4 GV et autant de boucles • Tubes en U invers´ e (chignon) • Ecoulement diphasique au secondaire • Echanges thermiques et vibrations Occurrence industrielle et r´ egimes d’´ ecoulement 13/74 ACCIDENTS GRAVES (1/4)                       • Corium : oxydes et acier fondus • Convection naturelle dans la cuve • Puissance d´ egag´ ee dans les oxydes • Conduction dans l’acier • Echanges oxydes et cuve • Echanges eau cuve • Enjeu : temp´ erature de la cuve et percement Occurrence industrielle et r´ egimes d’´ ecoulement 14/74 ACCIDENTS GRAVES (2/4)                   • Percement de la cuve • Interaction corium eau • M´ elange corium eau • Fragmentation : augmentation des ´ echanges et ondes de pression • Changement de phase : augmentation de volume • Ondes de pression et fragmentation • Enjeu : propagation et explosion thermique pour dimensionnement de l’enceinte (derni` ere barri` ere de confinement) Occurrence industrielle et r´ egimes d’´ ecoulement 15/74 ACCIDENTS GRAVES (3/4)                • Etalement du corium sur radier sacrificiel (EPR) • Interaction corium b´ eton : ablation • D´ egagement de gaz • Formation de croutes • Echanges de chaleur radier corium • Echanges de chaleur corium par rayonnement • Enjeu : dimensionnement du radier et refroidissement du corium Occurrence industrielle et r´ egimes d’´ ecoulement 16/74 ACCIDENTS GRAVES (4/4)                  • Refroidissement du corium ´ etal´ e ` a long terme • Interaction corium eau : risque d’explosion de vapeur • Echanges de chaleur corium eau et radier • Dimensionnement du syst` eme de refroidissement Occurrence industrielle et r´ egimes d’´ ecoulement 17/74 GENIE PETROLIER (Production diphasique)                    • Transport – Dimensionnement (∆P) – Transitoires (bouchons) – Hydrates (thermodynamique) • Pompage diphasique • Comptage triphasique • S´ eparation (dimensionnement) • Gestion r´ eservoir Occurrence industrielle et r´ egimes d’´ ecoulement 18/74 GENIE PETROLIER (Sˆ uret´ e des installations))            • Plate-forme de production • S´ eparateur triphasique • 3 sorties : eau, huile gaz • Incendie : fermeture des sorties • Dimensionnement des soupapes • Blocage de d´ ebit • Plusieurs sections critiques possibles Occurrence uploads/Industriel/ 01-slides.pdf

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