Simulation and modelling of fluid-structure interactions in two-phase flows
Description
Steam generators are a key component of nuclear power reactors, and an in-depth knowledge of their mechanisms is a major industrial challenge for the designer AREVA-NP and the operator EDF. Vibration of tube bundles induced by cross-flow is one of the problems encountered by the designer, thus needing to assess the vibration response to the excitation generated by the flow. The critical region is the U shape of the bundle (upper part of the steam generator), where two-phase cross-flow occurs with an important void fraction. In order to measure excitation induced by flow fluctuations on the tube bundle, some physical parameters have to be identified. For single-phase flows, it seems possible to link load on tubular structure to turbulence intensity of the flow, thanks to experimental data reduction methods together with numerical simulation methods. For two-phase flows, it is believed that forces induced on the tubes by the flow have other origins, and might be connected to dynamic contribution of each phase together with interfacial transfers. Nevertheless, relevant physical parameters which could predict the amplitude of the forces remain a subject of debate (void fraction, flow regime, etc.) and physical processes not yet fully understood. In order to study mechanical instabilities in two-phase flows, some analytic experiments have been and continue to be conducted at CEA. These analytic experiments focuses on isolated tube or tube bundles (rigid or flexible), and on a large regime flow range (AMOVI and DIVA mockups at CEA). They aim to describe these mechanical instabilities (forces measurement on the obstacle) based upon average parameters of the flow (gas and liquid flow rates, 'mean' void fraction, etc.), but also local parameters (local void fraction, bubble size, gas velocity, etc.). These measured or locally estimated parameters are used to conduct relevant non-dimensionalization, both on the random excitation forces (two-phase excitation spectrum on a rigid tube) and the fluid-elastic coupling forces (single flexible tube or flexible bundle). Nonetheless, some dispersion remains on the results, physical mechanisms are not well understood, and the non dimensionalization process remains dependent on metrology. The aim of this PhD thesis is to conduct numerical simulations with front tracking in configurations close to the experiments conducted at CEA in order to expand the knowledge on phenomena leading to vibration of tube bundle in steam generators
Abstract (French)
Les generateurs de vapeur (GV) sont l'un des com-posants majeurs des reacteurs nucleaires, et une connaissance approfondie de leur comportement constitue un enjeu industriel important aussi bien pour le concepteur AREVA-NP que pour l'exploitant EDF. Une des problematiques rencontrees pour le dimensionnement des GV concerne la vibration des tubes induite par l'ecoulement, ce qui necessite une evaluation raisonnable de la reponse des tubes a l'excitation generee par l'ecoulement. La zone identifiee comme la plus critique est la region en U (partie haute du GV) ou l'ecoulement est diphasique avec un fort taux de vide et interagit plutot transversalement avec les tubes. Afin d'evaluer les excitations generees sur les tubes par les fluctuations inherentes a l'ecoulement, les parametres physiques pertinents doivent etre identifies. Pour les ecoulements monophasiques, il semble possible de relier les efforts sur les structures tubulaires au niveau de turbulence de l'ecoulement a la fois en utilisant des methodes de reduction des donnees experimentales mais egalement en utilisant des methodes de simulations numeriques. Pour les ecoulements diphasiques, les forces induites sur les tubes par l'ecoulement ont a priori une autre origine et seraient plutot liees aux contributions dynamiques de chaque phase ainsi qu'aux transferts interfaciaux. Neanmoins, les parametres physiques pertinents qui permettent de prevoir l'amplitude de ces forces restent largement debattus (taux de vide, regime d'ecoulement, etc.)et les mecanismes physiques mal compris. Pour etudier ces instabilites vibratoires lorsque l'ecoulement est diphasique, uncertain nombre d'experiences analytiques ont ete et continuent a etre menees au CEA. Ces experiences analytiques portent sur un tube isole ou en faisceau, rigide ou flexible, et sur une large gamme de regimes d'ecoulement (maquettes AMOVI etDIVA du CEA). Leur objectif est de caracteriser ces instabilites vibratoires (mesure des forces exercees sur l'obstacle) en fonction de parametres globaux de l'ecoulement (debit gaz, debit liquide, taux de vide 'moyen', etc.) mais aussi de certains parametres locaux (taux de vide local, taille des bulles, vitesse gaz, etc.). Ces parametres mesures ou estimes localement sont ceux qui permettent d'obtenir les adimensionnements les plus pertinents a la fois sur les forces d'excitations aleatoires (spectres d'excitation en diphasique sur tube rigide)et sur les forces de couplage fluide-elastiques (tube flexible seul puis en faisceau). Il reste neanmoins une bande de dispersion sur les resultats obtenus, les mecanismes physiques sont mal compris et ces adimensionnements restent tributaires du choix de la localisation des mesures. L'objectif de la these est donc de mettre en oeuvre des simulations numeriques avec suivi d'interface dans des configurations proches de celles des experiences analytiques menees au CEA afin d'approfondir l'analyse des phenomenes conduisant aux vibrations des tubes de GV
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Additional details
Additional titles
- Original title (English)
- Simulation et modelisation des interactions fluide-structure en ecoulements diphasiques
Identifiers
Publishing Information
- Imprint Pagination
- 234 p.
- Report number
- FRCEA-TH--15011
INIS
- Country of Publication
- France
- Country of Input or Organization
- France
- INIS RN
- 51056638
- Subject category
- S42: ENGINEERING; S21: SPECIFIC NUCLEAR REACTORS AND ASSOCIATED PLANTS;
- Resource subtype / Literary indicator
- Thesis
- Descriptors DEI
- BOUNDARY CONDITIONS; COMPUTERIZED SIMULATION; FLUID-STRUCTURE INTERACTIONS; FUEL ELEMENT CLUSTERS; HELMHOLTZ INSTABILITY; INCOMPRESSIBLE FLOW; INTERFACES; MULTIPHASE FLOW; NAVIER-STOKES EQUATIONS; PWR TYPE REACTORS; RAYLEIGH-TAYLOR INSTABILITY; STEAM GENERATORS; TWO-PHASE FLOW
- Descriptors DEC
- BOILERS; DIFFERENTIAL EQUATIONS; ENRICHED URANIUM REACTORS; EQUATIONS; FLUID FLOW; FUEL ASSEMBLIES; INSTABILITY; PARTIAL DIFFERENTIAL EQUATIONS; PLASMA INSTABILITY; PLASMA MACROINSTABILITIES; POWER REACTORS; REACTORS; SIMULATION; THERMAL REACTORS; VAPOR GENERATORS; WATER COOLED REACTORS; WATER MODERATED REACTORS
Optional Information
- Notes
- 246 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the 'INIS contacts' section of the INIS website for current contact and E-mail addresses: http://www.iaea.org/inis/Contacts/; Also available from Campus des Sciences - Bibliotheque Universitaire, 45 avenue des Etats-Unis 78000 Versailles (France)