Expérimentation, modélisation et simulation de l'impact de gouttes d'eau sur le gainage gonflé des assemblages d'un coeur de REP en situation d'ARP

HAL Id: tel-01748645

https://hal.univ-lorraine.fr/tel-01748645

Submitted on 29 Mar 2018

HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or

L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires

Expérimentation, modélisation et simulation de l’impact de gouttes d’eau sur le gainage gonflé des assemblages

d’un coeur de REP en situation d’ARP

Franck Lelong

To cite this version:

Franck Lelong. Expérimentation, modélisation et simulation de l’impact de gouttes d’eau sur le gainage gonflé des assemblages d’un coeur de REP en situation d’ARP. Autre [cond-mat.other]. Université Henri Poincaré - Nancy 1, 2010. Français. �NNT : 2010NAN10102�. �tel-01748645�

AVERTISSEMENT

Ce document est le fruit d'un long travail approuvé par le jury de soutenance et mis à disposition de l'ensemble de la communauté universitaire élargie.

Il est soumis à la propriété intellectuelle de l'auteur. Ceci implique une obligation de citation et de référencement lors de l’utilisation de ce document.

D'autre part, toute contrefaçon, plagiat, reproduction illicite encourt une poursuite pénale.

Contact : [email protected]

LIENS

Code de la Propriété Intellectuelle. articles L 122. 4

Code de la Propriété Intellectuelle. articles L 335.2- L 335.10 http://www.cfcopies.com/V2/leg/leg_droi.php

http://www.culture.gouv.fr/culture/infos-pratiques/droits/protection.htm

THESE

Présentée pour l’obtention du grade de

Docteur de l’Université Henri Poincaré – Nancy 1

Spécialité : Mécanique et Energétique par Franck LELONG

Expérimentation, modélisation et simulation de l’impact de gouttes d’eau sur le gainage gonflé des assemblages d’un cœur

de REP en situation d’APRP

Soutenue publiquement le 04 octobre 2010

Membres du jury :

Président : Catherine COLIN Professeur INP/ENSEEIHT, IMFT Toulouse

Rapporteurs : Christophe LE NILIOT Professeur Université Aix-Marseille 1, IUSTI Marseille Jùlio Cesar PASSOS Professeur Université Fédérale de Santa Catarina, Brésil Examinateurs : Nathalie SEILER Ingénieur/chercheur IRSN, Cadarache

Michel GRADECK Maître de Conférences UHP, LEMTA Nancy (Directeur) Denis MAILLET Professeur INPL, LEMTA Nancy (Co-directeur)

Benoit STUTZ Maître de conférences Univ. Savoie, LOCIE Chambéry Pascal BOULET Professeur UHP, LEMTA Nancy

Invités : Pierre RUYER Ingénieur/chercheur IRSN, Cadarache

Remerciements

Ces travaux de thèse ont été réalisés pour moitié au LEMAR de l’IRSN de Cadarache et au LEMTA de Nancy.

Je tiens à remercier C. Le Niliot et J.C. Passos d'avoir accepté d'être rapporteurs et d'avoir manifesté un vif intérêt pour ces travaux. Je remercie également l’ensemble du Jury pour leur participation à ma soutenance.

Je souhaite également remercier G.Repetto, M. Petit et F. Lemoine pour m’avoir accueilli au sein de leur laboratoire.

Je souhaite exprimer ma gratitude à M. Gradeck et D. Maillet, mes directeurs de thèse, pour leurs conseils scientifiques et leur disponibilité constante. Je remercie également Michel pour m’avoir guidé dans les séminaires internationaux : son expérience et son sens du relationnel ont été des atouts indéniables …

J'adresse également des remerciements à G. Castanet, P. Dunand, A. Labergue et E. Blaise.

C’était un plaisir de partager tous ces bons moments autour de la manip. J’espère qu’Eric ne me tiendra pas rigueur pour tous les dommages occasionnés dans la salle de manip.

J'adresse toute ma sympathie à mes collègues de bureau S. Chupin, J. Gerardin, A. Stern, F.

Secondi, S. Bascou avec qui j’ai partagé d’excellents moments. Je n’oublierai pas également de remercier mes collègues thésards, A. Nowamooz, S. Lechene, Z. Ayadi, L. Trovalet, I.Traore, M.Chahlafi et l’ensemble des personnes du célèbre groupe « aubépine ». Merci aussi aux membres du LEMAR. Merci à P. Ruyer pour ses conseils et son aide constante toute au long de cette thèse et pour toutes ces soirées mémorables …

Merci encore à mes parents, Julia, les Lyonnais et toute ma famille pour m'avoir soutenu tout au long de ces années.

Pour finir, je tiens à remercier tout particulièrement N. Seiler pour avoir été une responsable de thèse exemplaire. Ce travail de thèse est un réel travail d’équipe tant elle a été disponible et impliquée tout au long de ces trois années. Je n’oublierai pas ces longs moments passés dans son bureau à travailler modèle et simulation, à faire et refaire les courbes … J’ai énormément appris à ses cotés et je lui en suis très reconnaissant.

Encore merci à vous tous …

I Introdution 2

I.1 L'Aident dePerte deRéfrigérantPrimaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

I.2 Régimesd'éhangede haleurparoi-uide etrégimes d'éoulementenphase derenoyage 5 I.3 Contexteetenjeuxde l'étude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

II Étude bibliographique de l'impat d'une goutte surune paroi haude 9 II.1 Températurede Leidenfrost . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

II.1.1. Dénition delatempératurede Leidenfrost . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

II.1.2. Paramètres inuant lerégimedeLeidenfrost. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

II.2 Régimesd'impat enrégime deLeidenfrost . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

II.3 Éhanges thermiquesgouttes/paroi enrégimede rebond . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

II.3.1. Études expérimentales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

II.3.2. Modélisationetsimulationdel'éhangegoutte/paroi . . . . . . . . . . . . . . . 22

II.3.3. Tempsde séjour . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

II.3.4. Diamètred'étalement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

II.3.5. Épaisseur delaouhe devapeur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

II.4 Synthèsede l'étudebibliographique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

IIIÉtude expérimentale duux éhangé gouttes/paroi 39 III.1 Présentation del'installation expérimentale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

III.1.1.Mesure paraméra rapide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

III.1.2.Mesure paraméra infrarouge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

III.2 Lestehniquesinverses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

III.2.1.Modélisationetrésolution duproblèmediret . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

III.2.2.Problème inverse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

III.3 Appliationau asexpérimental. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

III.3.1.Changementde repère etpré-traitementdes données . . . . . . . . . . . . . . . 67

III.3.2.Estimation destransforméesde Hankel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

III.3.3.Estimation despertes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

III.4 Évaluation deserreursd'estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

IVRésultats expérimentaux 91 IV.1 Observationdesrégimes d'impat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

IV.2 Diamètred'étalement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

IV.2.1.Évolutiontemporelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

IV.2.2.Eet delavisosité. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

IV.2.3.Eet dunombre deWeber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

IV.3 Fluxéhangégouttes/paroi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

IV.3.1.Mise enévidene desrégimesd'impat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

IV.3.2.Eet des propriétés dynamiques des gouttes inidentes sur la température de Leidenfrost . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

IV.3.3.Eet despropriétés dynamiquesdesgouttes inidentes . . . . . . . . . . . . . . 101

IV.4 Conlusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

V Modélisation des éhanges gouttes/paroi en régimede rebond 105 V.1 Modélisationdel'énergieprélevéeparl'impat d'unegoutte . . . . . . . . . . . . . . . 106

V.1.1. Modélisationdudiamètred'étalementde lagouttesurlaparoi . . . . . . . . . 108

V.1.2. Modélisationdel'épaisseurdevapeur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

V.1.3. Modélisationdel'énergieprélevée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

V.2 Généralisationdumodèlepourl'appliation industrielle . . . . . . . . . . . . . . . . . 135

VIConlusion 143

BIBLIOGRAPHIE 146

I.1 Évolutiondelatempérature degaineen situationd'APRP. . . . . . . . . . . . . . . . 3

I.2 Couperadialed'unassemblage déformé,essaiPhebus. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

I.3 vueshématique d'une ouperadialed'unassemblageintat (essaisCEGB[16℄). . . . 4

I.4 Prinipauxphénomènes physiques intervenant lors de laphase de renoyage en APRP

jouantunrledansl'évaluation delatempératuredes rayons dansle÷ur. . . . . . 5

II.1 Évolutionshématique du temps d'évaporation en fontion de la température initiale

delaparoi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

II.2 Évaluationdutempsd'évaporationd'unegoutted'éthanolenfontiondelatempérature

initialed'uneparoien aier[47 ℄. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

II.3 déptd'untraindegouttessuruneparoi[7℄:Tp= 120^C,D_g= 150µ^{m ,V}= 5.2^m.s^−1, θ= 20^etf_inj = 10^{kHertz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13}

II.4 Inuenedelapressionsurletempsd'évaporationetsurlatempératuredeLeidenfrost

pourunegoutted'eauimpatantuneparoideMonel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

II.5 Inuenedelapressionsurletempsd'évaporationetsurlatempératuredeLeidenfrost

pourunegoutted'eauimpatantuneparoieninox. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

II.6 Dénitiondel'angle deontat θstat^{[43℄. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14}

II.7 rebond d'un train de gouttes sur paroi haude [7℄ : a) Rebondparfait : Tp = 460^C,

Dg = 100 µ^{m, V} = 7 ^m.s^−1, θ = 4^{et f}inj = 10 ^{kHertz b) Rebond oalesene :}

Tp = 250^{C, D}g = 125 µ^{m, V} = 6.5 ^m.s^−1, θ = 36^{et f}inj = 10 ^{kHertz ) Rebond}

instable:Tp= 405^C,Dg= 145µ^m,V= 10^m.s^−1, θ= 20^etfinj= 10^{kHertz.. . . . 15}

II.8 Désintégration d'un train de gouttes sur une paroi haude [7℄ : Tp = 250^{C, D}_g = 115µ^m,V= 7.2^m.s^−1,θ= 74^etf_inj = 10^{kHertz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16}

II.9 Représentationshématiquedeladéformationd'unegoutte lorsde sonimpatàfaible

II.10 Champdevitesseinterned'une gouttede D_g= 2.0^{mm impatantuneparoihaudeà}

lavitessedeV = 1.3^m.s^{−1 [39 ℄. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18}

II.11 Classiation des régimes d'impat en fontion de T^{∗ et} K ^{(gouttes d'eauimpatant} uneparoideNikel)Castanet etal. [7℄. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

II.12 Évolutiondel'eaitéen fontiondelatempératurede paroi(Pederson[40℄). . . . . 21

II.13 Évolutiondel'eaitéen fontiondunombre deWeber(Kendall[29℄). . . . . . . . . 22

II.14 Vueshématiquedelagoutte lorsdeson rebond[19℄. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

II.15 Évolutiontemporelleduuxprélevéàla paroiparl'impat d'unegoutte d'eau(Dg= 3.8^{mm ,We}= 60^{)(obtenue parGeetFan [17℄). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24}

II.16 Évolution radiale et temporelle du ux prélevé à la paroi par l'impat d'une goutte d'eau(Dg= 3.8^{mm ,We}= 60^{)(obtenue parGeetFan[17℄). . . . . . . . . . . . . . . 25}

II.17 Temps de séjour en fontion de a) la vitesse (D_g ^{= 2 mm) et b) du diamètre (}V_n = 0.7m.s^{−1)(Bianeetal.[5℄). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26}

II.18 Évolutiondudiamètre maximumd'étalementen fontiondunombrede Weber(Chen etal.[10 ℄). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

II.19 Évaluation desorrélations issuesde lalittérature(Chenetal.[10℄). . . . . . . . . . . 29

II.20 Évolutiontemporelledudiamètred'étalementpourtroisliquidesdevisositédiérente (Dg= 2.7^{mm et}V = 1.5m.s^{−1). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31}

II.21 Imagedel'impat étudiéetloalisationdes prisesde mesures(Inadaetal. [24℄). . . . 31

II.22 Évolutiontemporelledel'épaisseurdevapeurauniveaudestroisprisesdemesures(In- adaetal. [24℄).. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

II.23 Évolutions temporelle et radiale de l'épaisseur du lm de vapeur (Ge et Fan [17 ℄) (Dg= 3.8^mm,We= 60^{). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33}

II.24 Évolutiontemporelledel'épaisseurmoyennedulmde vapeur(GeetFan[18 ℄). . . . 33

III.1 Vueshématiquedel'installation expérimentale. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

III.2 Image, obtenue par améra rapide, de l'impat d'une goutte d'eau : Dg = 250 µ^m, finj = 15270 Hz ^{et V}n = 5^m.s^{−1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43}

III.3 Imagedefond. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

III.4 Imagebinariséedel'impat d'unegoutte danslesongurations delagure III.2. . . 43

III.5 Imagepermettantlaalibrationdes imagesobtenues paramérarapide.. . . . . . . . 43

III.6 Bilanradiatifde l'installationexpérimentale. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

III.7 Fluxdephotonsparpixelenfontion delatempérature duCN. . . . . . . . . . . . . 45

III.8 Fluxdephotonparpixelenfontionde latempérature duCN:modèleetexpériene. 47 III.9 Fluxdephotonsparpixelenfontion delatempérature. . . . . . . . . . . . . . . . . 48

III.10Vueshématiquedelaonguration étudiée pourleproblèmediret.. . . . . . . . . . 50

III.11bilandeséhanges thermiquesau niveaudel'éhantillon. . . . . . . . . . . . . . . . . 52

III.12Fluxmodélisé (Eq.III.49)pour 10 gouttes impatant le disque surla fae AV: Dg = 100µ^m,η= 0.003^,TL = 20^C,Dm= 2^{, t}s= 10^ms,finj = 10kHz^{. . . . . . . . . . . 57}

III.13ProldetempératureenfaeARsuiteàl'impatd'unegoutted'eaude100µ^menfae AV. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

III.14Prolde température enfaeARsuiteàl'impatde10gouttes d'eaude100µ^mpour plusieursfréquenesd'impat. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

III.15Résiduquadratiquemoyen(expriméenC)enfontiondunombred'harmoniquesutilisés. 62 III.16Température simulée (artiiellement bruitée)ettempératurerealulée,Nh=6. . . . 63

III.17Température simulée (artiiellement bruitée)ettempératurerealulée,Nh=6. . . . 63

III.18Exempled'inversionetreonstrution spatialeduux(EqIII.49)pour Dm= ^D_D^max g = 5^{. 65} III.19Exempled'inversionetreonstrution spatialeduux(EqIII.49)pour Dm= 40^{. . . . 65}

III.20Exempled'inversionetreonstrution spatialeduux(EqIII.49)pour Dm= 20^{. . . . 65}

III.21Exempled'inversionetreonstrution temporelleduux(Eq III.49). . . . . . . . . . 65

III.22Exempled'inversionetreonstrution duux(EqIII.68). . . . . . . . . . . . . . . . . 66

III.23Résidusquadratiquesmoyensorrespondantàlagure III.22. . . . . . . . . . . . . . 66

III.24Shématisation dudisqueetaluldurayon. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

III.25Thermogrammesetseuillagessuessifspouridentier l'éhantillon. . . . . . . . . . . 68

III.26Nombre depixelsparrayon. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

III.27Résiduquadratiquemoyen(expriméenC)enfontiondunombred'harmoniquesutilisé. 70 III.28Température expérimentaleettempérature realulée,Nh=5.. . . . . . . . . . . . . . 71

III.29Température expérimentaleettempérature realulée,Nh=5.. . . . . . . . . . . . . . 71