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AbstractAbstract
[en] High pressure bubble expansion in liquid is involved in several safety problems studied in the Nuclear Industry, such as Borax-type accidents in pool-type experimental reactors or Hypothetical Core Disruptive Accident (HCDA) in a liquid-sodium fast breeder reactor. A Borax-type accident involves a high-pressure bubble created by the interaction of melted metal materials with water. For a liquid-sodium fast breeder reactor, the scenario of an HCDA supposes the reactor core has partially melted and the molten fuel chemically interacts with the liquid sodium to produce a large quantity of gaseous components. The explosive expansion of the high-pressure gas bubble thus formed yields significant loads on the reactor vessel. A wide range of Mach number is observed in such two-phase compressible flows with a low-Mach regime in the liquid but a high-Mach regime in the other phase. Computing flows in the high-Mach number regime with a Godunov-type cell-centered finite-volume method is now a routine task. However, when dealing with low-Mach flows, these Godunov solvers suffer from an accuracy and efficiency problem for which some fixes have been proposed in the literature. With the purpose of understanding the low-Mach behavior for cases with and without the presence of acoustic waves, the numerical analysis of the schemes is first performed for single-phase liquid flows governed by the stiffened gas equation of state. The low-Mach correction of Dellacherie et al. is extended to liquid flows and it is demonstrated the accuracy problem can be indeed fixed by centering the pressure. However, the overall efficiency of the simulation remains to be improved. A novel two-step method is thus proposed: in a first step, it relies on an artificial compressibility approach to speed up the computation of the hyperbolic system of PDEs for artificial acoustic waves of small amplitude; in a second step, it performs an isentropic transformation to take into account the compression/expansion of closed domains. The method is extended to moving meshes using the ALE approach and also extended to the seven-equation two-phase model solved with the Discrete Equation Method (DEM) to compute low-Mach two-phase flow problems. It is successfully applied to a low-Mach bubble expansion problem in a closed vessel. (author)
[fr]
Des bulles haute-pression en expansion dans un liquide se rencontrent dans plusieurs problemes de surete etudies dans l'industrie nucleaire: accidents de type Borax dans des reacteurs experimentaux de type piscine, Accident Hypothetique de Perturbation du Coeur ou Hypothetical Core Disruptive Accident (HCDA) dans un reacteur a neutrons rapides refroidi au sodium. Un accident de type Borax implique une bulle haute-pression creee par l'interaction de materiaux metalliques fondus avec l'eau. Pour un reacteur a neutrons rapides refroidi au sodium, le scenario d'un HCDA suppose que le coeur du reacteur a partiellement fondu et que le combustible fondu interagit chimiquement avec le sodium liquide pour produire une large quantite de composants gazeux. L'expansion explosive de la bulle de gaz haute pression ainsi formee genere des charges significatives sur l'enceinte du reacteur. Une large gamme de nombre de Mach est observee dans un tel ecoulement diphasique compressible, avec un regime bas-Mach dans le liquide mais un regime a Mach eleve dans l'autre phase. Le calcul d'ecoulements a Mach eleve avec une methode de type Godunov en formulation volumes finis centree sur la cellule est desormais une tache de routine. Cependant, lorsque l'on traite des ecoulements bas-Mach, ces solveurs de type Godunov souffrent d'un probleme de precision et d'efficacite pour lequel des remedes ont ete proposes dans la litterature. Dans le but de de comprendre le comportement bas-Mach pour des cas avec ou sans presence d'ondes acoustiques, l'analyse numerique des schemas est tout d'abord realisee pour des ecoulements monophasiques de liquide, decrits a l'aide d'une equation d'etat de type gaz raides. La correction bas-Mach de Dellacherie et al. est etendue aux ecoulements liquides et il est montre que le probleme de precision a faible Mach peut effectivement etre resolu en centrant la pression. Cependant, l'efficacite de la simulation reste a ameliorer. Une methode originale a 2 etapes est alors proposee: dans une premiere etape, une methode de type compressibilite artificielle est mise en oeuvre pour accelerer la resolution du systeme hyperbolique decrivant la propagation d'ondes acoustiques artificielles de faible amplitude; dans une seconde etape, une transformation isentropique est appliquee pour prendre en compte les mecanismes de compression / detente en domaines fermes. La methode est etendue aux maillages mobiles a l'aide d'une approche de type ALE et egalement etendue a un modele diphasique a 7 equations avec l'approche Discrete Equation Method (DEM) afin de calculer des ecoulements gaz-liquide bas-Mach. Elle est appliquee avec succes a un probleme d'expansion bas-Mach d'une bulle dans une enceinte fermee. (auteur)Original Title
Simulation d'ecoulements diphasiques a faible nombre de Mach dans des domaines fermes: d'une correction par centrage de pression a une methode originale de type compressibilite artificielle
Primary Subject
Secondary Subject
Source
9 Sep 2021; 222 p; 64 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses; Mecanique des Fluides
Record Type
Report
Literature Type
Thesis/Dissertation
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Country of publication
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