Scale effects analysis on the thermo-hydraulic behaviour of impinging jets
Description
Safety studies and numerical modelling implemented within the framework of studies on fast neutron reactors imply a need for validation of calculation codes using representative mock-ups. A safety issue identified in this type of reactor is the rise of the radial jet resulting from the impact of hot jets from the core to the Upper Core Structure (UCS). This rise induces thermal fluctuations and thermal stratification in the upper plenum causing thermal fatigue on the components. Understanding the various mechanisms at work in the phenomenon of radial jet raising is necessary in order to be predictive about the operating conditions for which this phenomenon occurs. For this purpose, the MICAS mock-up is used, which geometrically reproduces the upper plenum of the ASTRID reactor on a 1/6 scale, using water as a simulating fluid instead of sodium. In order to validate the ASTRID simulation codes, the representativeness of the MICAS mock-up must be validated with respect to its reduced scale but also to its simulating fluid. In order to study the transposition of the jet behaviour between different scales, a method of scale effects analysis is introduced, based on three mock-ups at different scales but representative of the reactor. A phenomenological study is carried out on a simplified model, PIGNIA, allowing to verify experimentally the theoretical dependence of the trajectory of the jet on the densimetric Froude number of the radial jet, justifying its conservation as a similarity parameter for the transposition of the jet behaviour. A transfer function to relate the radial jet conditions to the nozzle outlet conditions is established theoretically and validated experimentally. To obtain a critical value of the densimetric Froude number in representative geometry, tests are performed on the MICAS model. Based on the experimental conditions of MICAS leading to the rise of the jet, two representative mock-ups are sized: MOJIT-Eau and MOJI/4, respectively at scales 1/2,5 and 1/4 relative to MICAS. A study of the flow under isothermal conditions on the MOJIT-Eau and MOJI/4 mock-ups shows an attachment of the radial jet to the surface of the core, due to Coanda effect. This effect depends only on the geometrical quantities of the system. A thermal-hydraulic study is finally carried out to verify the conditions of extrapolation of the recovery phenomenon. A binary behaviour is observed on the rise of the jet, which is either attached and runs along the core or detached and rises in the plenum. The Coanda effect plays a major role on the stability of the jet. The densimetric Froude number alone is not sufficient to characterize this phenomenon, which occurs on MICAS. A new dimensionless number L, representing the competition between inertia, buoyancy and Coanda effects, is then defined. This number allows for the correct transposition of the detachment and thus the rise of the jet between MICAS, MOJIT-Eau and MOJI/4. The conditions expected on ASTRID by the conservation of this number allow to study the distortion of the water-sodium similarity on the heat exchanges. Water is then verified as a relevant choice for the representativeness of small-scale mock-ups with respect to ASTRID by estimating the Peclet number (representing the heat exchange modes) of the reactor: the change of fluid corrects the change of scale on these aspects. (author)
Abstract (French)
Les etudes de surete et les modelisations numeriques mises en oeuvre dans le cadre des etudes sur les reacteurs a neutrons rapides (RNR) impliquent un besoin de validation des codes de calcul a l'aide de maquettes representatives. Un enjeu de surete identifie dans ce type de reacteur est le redressement du jet radial issu de l'impact des jets chauds du coeur sur le Bouchon Couvercle Coeur (BCC). Le redressement induit des fluctuations thermiques et une stratification thermique dans le plenum superieur provoquant de la fatigue thermique sur les composants. Comprendre les divers mecanismes en oeuvre dans le phenomene de redressement du jet radial est necessaire dans le but d'etre predictif sur les conditions operatoires pour lesquelles ce redressement intervient. Dans ce but, on utilise la maquette MICAS qui reproduit geometriquement a l'echelle 1/6 le plenum superieur du reacteur ASTRID, en utilisant de l'eau comme fluide simulant a la place du sodium. Pour valider les codes simulant ASTRID, la representativite de la maquette MICAS doit etre validee vis-a-vis de son echelle reduite mais egalement de son fluide simulant. Afin d'etudier la transposition du redressement du jet entre differentes echelles, une methode d'analyse d'effets d'echelle est introduite; elle se base sur trois maquettes d'echelles geometriquement differentes mais representatives du reacteur. Une etude phenomenologique est realisee sur une maquette simplifiee, PIGNIA, permettant de verifier experimentalement la dependance theorique de la trajectoire du jet envers le nombre de Froude densimetrique du jet radial FrD(rad) et justifiant sa conservation comme critere de similitude pour la transposition du redressement du jet. Une fonction de transfert permettant de relier les conditions du jet radial aux conditions en sortie de buse est etablie theoriquement et validee experimentalement. Pour obtenir une valeur critique du FrD(rad) en geometrie representative, des essais sont realises sur la maquette MICAS. En se basant sur les conditions experimentales de MICAS menant au redressement du jet, deux maquettes representatives sont dimensionnees: MOJIT-Eau et MOJI/4, respectivement aux echelles 1/2,5 et 1/4 relativement a MICAS. Une etude de l'ecoulement en conditions isothermes sur les maquettes MOJIT-Eau et MOJI/4 met en evidence un attachement du jet radial a la surface du coeur, appele effet Coanda. Cet effet ne depend que des grandeurs geometriques du systeme. Une etude thermo-hydraulique est enfin mise en place afin de verifier les conditions d'extrapolation du phenomene de redressement. Un comportement binaire est observe sur le redressement du jet, qui est soit attache et longe le coeur, soit detache et se redresse dans le plenum. L'effet Coanda joue un role de premier plan sur la stabilite du jet. Le nombre de Froude densimetrique seul ne permet pas de caracteriser ce phenomene qui se produit sur MICAS. Un nouveau nombre adimensionnel L, representant la competition entre les effets d'inertie, de flottabilite et l'effet Coanda, est alors defini. Ce nombre permet d'assurer correctement la transposition du detachement et donc du redressement entre MICAS, MOJIT-Eau et MOJI/4. Les conditions attendues sur ASTRID par la conservation de ce nombre permettent d'etudier la distorsion de la similitude eau-sodium sur les echanges thermiques. L'eau est alors verifiee comme un choix pertinent pour la representativite de maquettes petites echelles vis-a-vis d'ASTRID en retrouvant le nombre de Peclet (representant les modes d'echanges thermiques) du reacteur: le changement de fluide corrige le changement d'echelle sur ces aspects
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Additional details
Additional titles
- Original title (French)
- Analyse des effets d'echelle sur le comportement thermo-hydraulique de jets impactants
Publishing Information
- Imprint Title
- Scale effects analysis on the thermo-hydraulic behaviour of impinging jets
- Imprint Pagination
- 192 p.
- Report number
- FRCEA-TH--17189
INIS
- Country of Publication
- France
- Country of Input or Organization
- France
- INIS RN
- 56008252
- Subject category
- S21: SPECIFIC NUCLEAR REACTORS AND ASSOCIATED PLANTS;
- Resource subtype / Literary indicator
- Thesis
- Descriptors DEI
- EXTRAPOLATION; FAST REACTORS; NAVIER-STOKES EQUATIONS; THERMAL HYDRAULICS; TRANSFER FUNCTIONS; VALIDATION
- Descriptors DEC
- DIFFERENTIAL EQUATIONS; EPITHERMAL REACTORS; EQUATIONS; FLUID MECHANICS; FUNCTIONS; HYDRAULICS; MATHEMATICAL SOLUTIONS; MECHANICS; NUMERICAL SOLUTION; PARTIAL DIFFERENTIAL EQUATIONS; REACTORS; TESTING
Optional Information
- Notes
- 131 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses