Modélisation avancée de la polydispersion en taille des écoulements bouillants

Advanced model for polydispersion in size in boiling flows

Institut de Radioprotection et Sûreté Nucléaire Cadarache 13 115 Saint Paul lez Durance cedex BP 3, France, Tél : +33 (0)4 42 19 97 20, Fax : +33 (0)4 42 19 91 65

Auteur de correspondance : pierre.ruyer@irsn.fr

Résumé

Un programme de Recherche et Développement dans le domaine de l'Accident de Perte du Réfrigérant Primaire, sur un Réacteur à Eau sous Pression, est en cours à l'Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire. Lors de ce transitoire accidentel, l'ébullition du fluide sur la paroi des crayons conduit au dénoyage du coeur du réacteur. L'étude présentée est orientée sur le développement de modèles permettant la simulation CFD de la topologie locale d'un écoulement bouillant. En effet, les observations expérimentales ont permis de mettre en évidence une polydispersion en taille : statistiquement et localement, la population de bulles se caractérise par un large spectre de taille. Or, les forces gouvernant l'hydrodynamique locale d'une bulle dependent fortement de sa taille. Cette taille détermine également la surface d'échange avec le liquide et donc les différents transferts entre phases. Ces observations soulignent la nécessité de prendre en compte cette polydispersion en taille au sein d'une description moyennée de l'écoulement. Ainsi, un modèle de population de bulles a été développé, basé sur des équations de transport des densités de moments statistiques de la fonction de distribution en taille de la population de bulles. Dans ce papier, on décrit les termes sources traduisant les différentes contributions à l'évolution des diamètres des bulles. Ce modèle, intégré dans le code NEPTUNE_CFD, a été testé sur des resultants d'expérience d'écoulements bouillants obtenus sur l'installation DEBORA. Les simulations réalisées constituent une validation du modèle ainsi qu'une étude de sa convergence en maillage et de l'impact de certains phénomènes sur la topologie de l'écoulement.

Abstract

This work has been performed within the Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire that leads research programs concerning safety analysis of nuclear power plants. During a LOCA (Loss Of Coolant Accident), in-vessel pressure decreases and temperature increases, leading to the onset of nucleate boiling. The present study focuses on the numerical simulation of the local topology of the boiling flow. There is experimental evidence of a local and statistical large spectrum of possible bubble sizes. The relative importance of the correct description of this polydispersion in size is due to the dependency of (i) main hydrodynamic forces, as well as of (ii) transfer area with respect to the individual bubble size. We study the corresponding CFD model in the framework of an ensemble averaged description of the dispersed two-phase flow. The transport equations of the main statistical moment densities of the population size distribution are derived and models for the mass, momentum and heat transfers at the bubble scale as well as for bubble coalescence are achieved. This model introduced within NEPTUNE_CFD code of the NEPTUNE thermal-hydraulic platform, a joint project of CEA, EDF, IRSN and AREVA-NP, has been tested on boiling flows obtained on the DEBORA facility of the CEA at Grenoble. These numerical simulations provide a validation, check the meshing convergence as well as the impact of the various phenomena onto the local flow topology prediction.