Modélisation de l'ébullition nucléée dans
les Réacteurs à Eau Pressurisée

Conclusion

Au cours de ce Bureau d'études industrielles, nous nous sommes intérressés au modèle d'ébullition nucléée de Kurul et Podowski, utilisé dans le code de calcul multiphasique NEPTUNE_CFD, permettant de prédire le phénomène de crise d'ébullition de type caléfaction dans un réacteur REP. Le modèle originel de K&P nécessite d'être couplé à d'autres corrélations afin d'évaluer le flux d'évaporation (et donc le transfert de masse en paroi) : le diamètre de décollage, la densité de sites actifs de nucléation, la fréquence de nucléation et le coefficient de transfert thermique par convection forcée.

En observant la sensibilité du modèle, il nous est apparu que le diamètre de décollage semblait être le paramètre déterminant du modèle de K&P. Nous avons donc étudié différentes corrélations pour prédire le diamètre de décollage : la corrélation d'Unal, la corrélation d'Unal-Borée (utilisée par NEPTUNE_CFD) et la corrélation d'Unal-Thomas. Nous avons confronté les prédictions des modèles avec la base de données expérimentales d'Unal. La corrélation de Thomas est limitée à de très faibles sous saturations et ne peut donc être retenue en conditions REP. Les corrélations d'Unal et d'Unal-Borée donnent des prédictions proches et ont obtenu de bon résultats concernant la prédiction du diamètre de décollage.

Au cours de notre étude du modèle de K&P, nous avons pu mettre en évidence une limitation intrinsèque au modèle. En effet, pour certaines conditions opératoires, c'est-à-dire lorsque la paroi est entièrement recouverte par les bulles, le modèle ne peut naturellement converger vers une solution physiquement acceptable. Il est alors nécessaire de bloquer le produit Nal. Pour ce faire, nous avons envisagé plusieurs solutions (dont celle utilisée dans NEPTUNE_CFD) que nous avons comparé en étudiant la cohérence de la répartition des flux ainsi que la précision de la prédiction du diamètre de décollage. Nous avons ainsi pu conclure que la solution envisagée dans NEPTUNE_CFD était la seule acceptable, bien qu'elle ne donne pas de très bonnes prédictions pour certains cas.

D'autre part, nous avons effectué une analyse du modèle de K&P par comparaison à des modèles de référence (Chen et Liu & Winterton). Cette analyse a consisté à comparer l'évolution du flux de chaleur pariétal en fonction de la surchauffe pariétale pour chaque modèle. Cette étude a permis de montrer que le modèle de K&P ne devrait pas être utilisé en dehors du domaine de validité originel de K&P. En effet, même avec la correction apportée (Dl libre et Na fixe), les résultats de l'analyse sont trop éloignés de ceux des modèles de référence. Nous conseillons donc d'utiliser le code de calcul NEPTUNE_CFD uniquement dans les domaines de validité de K&P représentés précédemment.

Par ailleurs, cette étude comparative a aussi permis de démontrer que la corrélation d'Unal était meilleure que celle d'Unal-Borée quel que soit le domaine opératoire simulé. Il serait donc peut-être plus intéressant d'utiliser la corrélation d'Unal dans le code de calcul NEPTUNE_CFD (à la place d'Unal-Borée) tout en bloquant le diamètre de décollage lorsque celui-ci atteint une valeur trop importante (obtenues notamment pour de très faibles sous-saturations).

Enfin, à l'intérieur du domaine de validité de K&P, plus la pression et la sous-saturation augmentent, plus les prédictions du modèle de K&P se dégradent. Ainsi à basse pression, le modèle de K&P possède un bon comportement. Cependant en conditions REP, c'est à dire à forte pression et forte sous-saturation, les résultats du modèle de K&P sont donc peu fiables (quelle que soit la fermeture utilisée sur le diamètre de décollage). Pour améliorer les prédictions du modèle de K&P à haute pression, il serait peut-être judicieux de s'intéresser à la modélisation des autres paramètres du modèle tels que la fréquence de nucléation ou la densité de sites de nucléation.

Sébastien Lafitte (3HY ENGT) - Grégory Houvin (3HY ENGT) - Thomas Abadie (3HY MFN)

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