Visualisation d'écoulements turbulents avec ébullition sous-refroidie dans un canal rectangulaire

Turbulent subcooled boiling flow visualization experiments through a rectangular channel

Department of Nuclear Engineering, Texas A&M University, College Station, Texas 77843-3133 USA, Phone : +1(979) 845 5791, Fax : +1(979) 845 6473

Auteur de correspondance : y-hassan@tamu.edu

Résumé

La compréhension et détermination précise d'écoulements avec ébullition sous-refroidie sont de prime importance dans de nombreux domaines d'applications. Le développement de modèles d'écoulements sous-refroidis pour la conception de réacteurs nucléaires, générateurs de vapeur, systèmes de réfrigérations est une tâche importante. La plupart de ces modèles est basée sur des techniques expérimentales qui toutes utilisent des probes pour obtenir des mesures ponctuelles avec grande résolution temporelle. Cependant, il y a un manque concernant des expériences capables de capturer instantanément des mesures globales en des temps de réponse très courts. Dans cet article, la Vélocimétrie Par Suivi de Particule (PTV) est employée pour surmonter les contraintes associées avec les techniques de mesures ponctuelles. La PTV est une technique fournissant instantanément les vecteurs-vitesse d'un champ complet avec une haute résolution spatio-temporelle. La PTV est également un outil performant pour l'analyse d'écoulements avec ébullition de par sa capacité à distinguer les phases liquide et vapeur, permettant ainsi d'obtenir les champs de vitesse pour chaque phase indépendamment. Dans cette étude, le champ de vitesse liquide d'un écoulement turbulent avec ébullition sous-refroidie dans un canal rectangulaire a été obtenu par PTV. Les résultats présentent un bon accord avec des études similaires employant des techniques de mesures ponctuelles. De plus, la PTV fournit des informations supplémentaires : en plus des profils moyens de vitesse, les champs bidimensionnels sont disponibles avec une grande résolution spatio-temporelle. L'analyse des fluctuations de vitesses, des tensions de Reynolds, des moments statistiques d'ordre élevé des écoulements est présentée. Ce travail s'inscrit dans un effort pour améliorer les modèles de turbulence dans les écoulements avec ébullition sous-refroidie.

Abstract

Proper characterization and understanding of subcooled boiling flow phenomena are important in many applications. The development of subcooled models for the design of nuclear reactors, steam generators, and refrigeration systems is an important task. Most of these models are based on experimental studies that share the characteristics of utilizing point measurement probes with high temporal resolution. However there appears to be a scarcity of experimental studies that can capture instantaneous whole-field measurements with a fast time response. In this study, Particle Tracking Velocimetry (PTV) is used to overcome the limitations associated with point measurement techniques. PTV is a whole-flow-field technique providing instantaneous velocity vectors capable of high spatial and temporal resolution. PTV is also an exceptional tool for the analysis of boiling flow due to its ability to differentiate between the gas and liquid phases and subsequently deliver independent velocity fields associated with each phase. In this work, using PTV, liquid velocity fields of a turbulent subcooled boiling flow in a rectangular channel were successfully obtained. The present results agree with similar studies that used point measurement probes. Furthermore, it provides additional information ; not only averaged profiles of the velocity components were obtained, instantaneous 2-D velocity fields were also readily available with a high temporal and spatial resolution. Analysis of fluctuating velocities, Reynolds stresses, and higher order statistics of the flow are presented. This work is an attempt to complement turbulence modelling effort in subcooled boiling.