Simulation des écoulements diphasiques dans les stations de pompage

Simulation of two-phase flow in pumping stations

Abstract

The purpose of the present study is to develop numerical tools for two-phase flow ploblems in pumping stations. Reliable simulation methods of two-phase flow are inevitable in nuclear engineering field because computer programs are important design tools for nuclear reactors which are exposed to severe ambient conditions of high temperature, high pressure and gamma ray irradiation. Mock-up tests of nuclear thermal-hydraulics are very difficult. Hitachi Ltd. has created advanced computer programs for multi-dimensional two-phase flow to analize reactor systems and components. The numerical methods enable accurate and stable interface calculation in spite of large density ratio between the phases, because non-staggered finite volume method, which is suitable for treatment of discontinuity, and minimum numerical diffusion are adopted. The multi-dimensional computer programs employ two types of two-phase flow model. The first one is the extended two-fluid model, which has capability of both interface tracking and ordinary two-fluid model calculations. This model is appropriate for the present purpose because it can treat free surface of channels and entrained bubbly mixture due to breaking waves. The second one is the improved VOF (Volume of Fluid) method in which PLIC (Piecewise Linear Interface Calculation) technique was employed. The interface state calculation is simplified by approximating cubic calculation cells to spherical ones. These computer program were applied to hydraulic studies in Hitachi Industries Co., Ltd., a vender of fluid machinery and pumping systems. It is necessary to evacuate air downstream from siphon outlets as bubble entrainment by water flow in order to operate the plant effectively after pumping station start-up. Experiments were carried out by using a reduced scale test-section. The test section was made of transparent acryl and the cross-section was rectangular. Free surface of water layer on the inclined wall and entrained bubbly mixture into the water pool due to water layer collision with free surface were observed by a video camera. The extended two-fluid model results of transient water level and pressures in the simulated siphon outlets were in good agreement with the experimental data. The predicted pressure histories at the crest and the pump site were in good agreement with the experimental data. The sedimentation in a inlet channel of a pump station was carried out. Three dimensional free surface flow was calculated by the improved VOF method and behavior of suspended sediment in the flow field is calculated. The surface wave velocity in the shallow channel was in good agreement with the theoretical one. Sediment particles had size distribution and drag force and gravity and buoyancy was taken into consideration. Critical tractive force of the sediment on floor was estimated from Schields’ correlation. The predictions of sedimentation area and suspended fraction agreed well with experimental data. These results showed that the present computer programs were able to treat key two-phase flow phenomena in pumping stations.

Résumé

Le but de la présente étude est de développer des outils numériques pour les problèmes d'écoulements diphasiques dans les stations de pompage. Les méthodes fiables de simulation d'écoulements diphasiques sont indispensables en génie atomique parce que les programmes numériques sont des outils de conception importants pour les réacteurs nucléaires qui sont exposés à des conditions ambiantes sévères de haute température, de haute pression et d’irradiation en rayon gamma. Les essais en maquette nucléaire thermo-hydraulique sont très difficiles. Hitachi Ltd. a créé des programmes avancés de calcul sur ordinateur simulant les écoulements diphasiques multidimensionnels pour analyser les systèmes de réacteurs et les composants. Les méthodes numériques permettent de calculer une interface précise et stable malgré l’important rapport de densité entre les phases, parce que la méthode des volumes finis non décalés, qui a été adoptée, convient au traitement des discontinuités, et a une diffusion numérique minimum. Les programmes numériques multidimensionnels utilisent deux types de modèles d’écoulements diphasiques. Le premier est le modèle étendu à deux fluides, qui a les possibilités de suivi d'interface et de calculs ordinaires d’un modèle à deux fluides. Ce modèle est approprié à l’objectif actuel parce qu'il peut traiter la surface libre des canaux et le mélange bouillonnant entraîné dû au déferlement des vagues. Le second est la méthode améliorée des VOF (volumes de fluide) dans laquelle la technique PLIC (calcul d'interface linéaire par morceaux) a été utilisée. Le calcul de l'état de l'interface est simplifié en approchant par des cellules cubiques le calcul des cellules sphériques. Ces programmes numériques ont été appliqués à des études hydrauliques dans les Hitachi Industries Co. Ltd., vendeurs de machines hydrauliques et de systèmes de pompage. Il est nécessaire d'évacuer l'air en aval des sorties de siphon comme des bulles entraînées par l’écoulement de l'eau afin de faire fonctionner l'usine efficacement après un démarrage de station de pompage. Des expériences ont été effectuées en utilisant une section d’essai à échelle réduite. La maquette était en plexiglas transparent avec une section transversale rectangulaire. La surface libre de l’eau sur la paroi inclinée et le mélange bouillonnant entraîné dans le bassin, dû à la collision de la lame d'eau avec la surface libre, ont été filmés par une caméra vidéo. Les résultats du modèle étendu à deux fluides : niveau d’eau transitoire et pressions dans les sorties simulées de siphon étaient en bon accord avec les données expérimentales. Les variations de pression calculées à la crête et à l'emplacement de la pompe étaient en bon accord avec données expérimentales. La sédimentation dans un canal d'admission d'une station de pompage a été réalisée. L'écoulement à surface libre tridimensionnel était calculé par la méthode VOF améliorée et le comportement du sédiment en suspension dans l'écoulement est calculé. La célérité de la vague de surface dans le canal peu profond était en bon accord avec la célérité théorique. Les particules de sédiment avaient une distribution de taille et la traînée, la pesanteur et la flottabilité ont été prises en compte. La force tractrice critique du sédiment au sol a été estimée à partir de la corrélation de Schields. Les prévisions de l’aire de sédimentation et de la fraction en suspension étaient en bon accord avec les données expérimentales. Ces résultats ont prouvé que les programmes de calcul actuels étaient en mesure de traiter les phénomènes clés des écoulements diphasiques dans les stations de pompage.