Fragmentation et condensation de jets diphasiques

Mots clés

fragmentation, condensation, Jets turbulents, écoulements multiphasiques

Détail de l'offre

Dans le cadre de la mitigation des accidents nucléaires graves, certains réacteurs sont équipés d'un dispositif de re-condensation de l'eau de refroidissement qui se serait évaporée, appelé accumulateur gravitaire ou LPWT (pour « Low Pressure Water Tank ») ou encore IRWST (pour « In Containment Refueling Water Storage Tank »). De la vapeur y est donc injectée sous forme d'un jet diphasique dans un bain d'eau froide où elle se recondense. Ce jet est susceptible de se fragmenter ce qui va conditionner la vitesse de condensation.
La fragmentation (en général de liquide) est un procédé unitaire qui cherche à augmenter la surface de contact entre deux fluides. L'augmentation de cette surface augmente ensuite fortement la cinétique des opérations ultérieures ; quelles qu'en soient leurs natures, en fonction de domaine d'application (condensation dans le présent cas mais également, évaporation et/ou combustion et risque d'explosion, barrière de protection et lutte contre les incendies, solidification de poudres pour l'industrie et pour la fabrication additive…etc.). C'est donc un sujet à la fois fondamental et appliqué. Et c'est de l'intrication entre ces deux aspects que provient la difficulté du sujet, les écoulements d'intérêt ayant lieu, en général, à grandes vitesses, les écoulements deviennent instables et turbulents. Les temps caractéristiques sont courts et les échelles à la fois grandes et petites.
Dans le contexte d'études sur la sureté nucléaire (projet ANR ICE pour Interaction Corium Eau), le LEMTA s'est doté de la plateforme JeDi1,2,3,4 (pour Jets Diphasiques) qui cherche à lever une partie du voile sur ce sujet via une approche originale : la fragmentation se fait dans l'eau et non dans l'air et l'utilisation de fluides transparents et iso-indices permet d'effectuer des mesures optiques dans les deux phases. Cette plateforme est donc parfaitement adaptée à l'étude de certains échangeurs dit « à contact direct » et est susceptible d'être modifiée pour répondre à la présente thématique via l'injection d'un jet de vapeur d'eau dans un bain d'eau froide.

La thèse comportera plusieurs volets : l'un expérimental (le principal) et les autres seront liés à la simulation numérique du phénomène et à sa modélisation :
1. Dans la partie expérimentale, il s'agira d'adapter le dispositif JeDi à cette nouvelle configuration (mise en place d'un système d'injection de vapeur d'eau). La définition préalable d'une matrice d'essais (diamètre, vitesse et température d'injection, la vapeur pouvant être surchauffée, température du bain) permettra de déterminer dans quelle mesure les dispositifs déjà présents au LEMTA pourront être réutilisés (et réciproquement). Les mesures seront effectuées via les différents dispositifs de Vélocimétrie par Imagerie de Particules et d'acquisition rapide présent sur l'installation ou à développer (imagerie raide de fluorescence induite par Laser). Une calibration sera également effectuée dans le cadre d'un bulle unique de vapeur.
2. La simulation numérique se fera via l'utilisation du logiciel NEPTUNE_CFD (dont le LEMTA devrait obtenir une licence dans le cadre du projet de laboratoire commun CEA/LEMTA PHYSAMI).
3. Enfin les résultats obtenus seront comparés aux résultats du code CATHARE de thermo-hydraulique nucléaire. La modélisation actuelle étant connue comme imparfaite, elle sera amenée à être modifiée.

Outre les résultats expérimentaux telles que la profondeur de pénétration du jet, son élargissement, sa cinématique, la distribution en taille des bulles et la stratification de température générée permettant d'établir une base de données de connaissances, il s'agira de développer une compréhension du phénomène afin de pouvoir le modéliser le plus finement possible. L'obtention d'un modèle analytique (ou d'une corrélation) pouvant être intégré dans CATHARE étant l'objectif affiché de cette étude.