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

Ebullition nucléée

On peut rencontrer plusieurs configurations d'écoulement différentes dans un tube vertical chauffé uniformément par une faible densité de flux thermique. Ces configurations sont basées sur la répartition spatiale et la quantité de vapeur présente dans l'écoulement qui évolue en fonction des grandeurs thermohydrauliques de l'écoulement et thermiques à la paroi. Le tube est alimenté en liquide très sous-saturé à l'entrée et est de longueur suffisante pour autoriser un écoulement en vapeur surchauffée en sortie.

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Parmi tous ces modes de transfert thermique, nous avons choisi de nous intéresser exclusivement à l'ébullition nucléée sous-saturée convective. Celle-ci est divisée en deux sous-régimes distincts:

  • L'ébullition partielle
  • L'ébullition pleinement développée

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Dans le cas d'une densité de flux thermique plus élevée, il est possible de voir apparaître des poches de vapeur sur la paroi alors qu'on se trouve en ébullition nucléée sous-saturée ou saturée, ce qui conduit à la crise d'ébullition par caléfaction. Ces poches de vapeur peuvent s'étendre jusqu'à la création d'un film vapeur à la paroi accompagné d'un coeur diphasique à dominante liquide. Cette configuration d'écoulement est appelée écoulement annulaire inverse.

Il y a plusieurs mécanismes liés au cycle d'ébullition nucléée sous-saturée convective. Ils diffèrent selon les caractéristiques des écoulements modélisés mais peuvent être en général divisés en deux étapes successives:

  1. Naissance et croissance d'une bulle à partir d'un germe de vapeur piégé dans un site de nucléation (cavité de la paroi)
  2. (éventuelle) Croissance de la bulle lors du glissement de celle-ci sur la paroi


Modèle de Kurul et Podowski

Les modèles d'ébullition nucléée existant relient en général deux inconnues principales moyennées spatialement et temporellement: la température de la paroi et la densité de flux pariétal. Dans notre cas, on fixe la densité de flux pariétal noté &Phiw et on s'interessera tout particulièrement au modèle de Kurul et Podowski, modèle largement cité dans la littérature.

Ce modèle se base sur une répartition du flux pariétal en trois contributions:

  • &Phifc: le flux de chaleur monophasique par convection forcée
  • &Phitc: le flux de chaleur par conduction instationnaire
  • &Phie: le flux net de chaleur par évaporation

On obtient alors:

&Phiw = &Phifc + &Phitc + &Phie

Ce modèle comporte différents paramètres qui doivent être modélisés :

  • Dl : le diamètre de décollage des bulles
  • Na : la densité de sites actifs de nucléation
  • f : la fréquence de nucléation
  • hfc: le coefficient d'échange monophasique par convection forcée
  • tq : le temps d'attente entre le détachement d'une bulle et la création d'une autre sur le même site de nucléation

Etant donné qu'on fixe le flux pariétal, il est nécessaire de calculer la température de paroi grâce à une méthode itérative comme expliqué sur le schéma ci-dessous:

On fixe donc un flux pariétal, on suppose une température de paroi puis on calcule les différents paramètres et un flux pariétal à partir de cette supposition. Si les deux flux sont égaux, c'est qu'on a trouvé la bonne température. Sinon, on augmente ou on diminue la température supposée et on recommence. On a programmé ce calcul grâce à Matlab.

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

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