Refroidissement extérieur d'un REP.

 

 Carole CORDIER, élève ingénieur à l'ENSEEIHT, option fluide, énergétique et procédés.

Encadrée par :
• Catherine COLIN
, enseignant-chercheur à l'ENSEEIHT-IMFT

• Hervé NEAU, enseignant-chercheur à l'ENSEEIHT-IMFT


En cas d'accident nucléaire, les parois d'un réacteur à eau pressurisé (REP) subisse un réchauffement brutal que l'on limite en arrosant cette paroi avec de l'eau froide

L'objectif de ce BEI est de simuler l'écoulement d'eau le long du REP afin de déterminer quels sont les flux en jeu, comment éviter la crise d'ébullition et comment assurer un refroidissement efficace.


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Introduction

Objectif

L’idée est de regarder dans le cas d’accidents nucléaires type Fukushima où se trouve une surchauffe importante des réservoirs des réacteurs. Il s'agit de trouver un moyen d'évacuer la chaleur le plus efficacement possible pour éviter que la paroi ne monte trop en température et ne risque de rompre.
L'étude porte sur la partie du circuit primaire et le refroidissement extérieur du cœur du réacteur. La méthode consiste en un re-noyage par l’extérieur (écoulement d’eau qui va circuler dans une enveloppe à l’extérieur du cœur). Nous sommes alors dans une configuration d’un écoulement dans un canal avec une ébullition nucléée sur la paroi. Pour simuler ce types d'écoulement, EDF utilise le code_Neptune CFD dévellopé par l'entreprise. On vérifiera que le code simule correctement l'ensemble des grandeurs en comparant les résultats à des corrélations de la litttérature.

Plan

Dans cette étude, on cherche principalement à évaluer les performances de Neptune_CFD pour estimer le phénomène. Pour cela, on utilisera une géométrie bien maîtrisé sur laquelle on connaît déjà des résultats: un tube avec une entrée de fluide par le bas et chauffé par l'exterieur.

Dans une première partie, on expliquera comment on créer le maillage sur l'outils SIMAIL, et comment utiliser Neptune (arborescence du cas, choix du param).

Ensuite, on cherchera à valider le calcul sur 3 cas tests distincts:

 

 

 

Maillage

Pour simuler l'écoulement, on crée d'abord un maillage à l'aide de l'outil SIMAIL. Il s'agit d'un tube de 7mm de diamètre et de 1m de haut parcouru par un écoulement turbulent qui vient du dessous. Le tube sera chauffé par l'exterieur.

 

On pourrait mailler l'ensemble du cylindre mais cela demanderait un très grand nombres de mailles. En effet, la hauteur du cylindre est très supérieur à son diamètre, et tous les cotés des mailles doivent être du même ordre de grandeur.

Comme le  problème est invariant selon la direction θ, on choisit de ne mailler qu'une tranche de cylindre. Pour cela, on créer un rectangle de la taille d'une coupe de crayon combustible passant par l'axe, puis, on l'élève de quelques degrés. On aura un maillage 2D axisymétrique.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Télécharger ici le maillage

Utilisation de Neptune_CFD

Dans cette partie, nous expliquerons comment utiliser le code Neptune_CFD pour simuler notre écoulement. Ce tutoriel s'adresse aux élèves ENSEEIHT et fait par conséquent référence au document accessible depuis le réseaux ENSEEIHT. Il est possible de réaliser les mêmes études en téléchargeant au préalable Neptune.

Prise en main

Tout d'abord, on appele les variables d'environnement Neptune. Ensuite, on construit un dossier d'étude Neptune à l'aide des la commande suivante:

Un dossier d'étude est constitué d'une arborescence particulière 

Le dossier MESH contient les maillages à utiliser.

Dans le dossier CASE1 est un cas, on peux créer d'autre cas (avec d'autre param et d'autre fichier fortran) avec la commande:

Dans le dossier CASE, on a:

 

A tout moment, on peux voir l'avancée d'un calcul dans le listing. Le listing est très utile car il permet de récupérer de nombreuses informations très utiles pour chaque pas de temps: les valeurs minimales et maximales des différentes grandeurs, les convergences mais aussi le temps physique et le pas de temps. On le trouve en fin de calcul dans RESU où bien dans le dossier temporaire de Neptune. De l'ENSEEITH, il suffit d'avoir un dossier portant le nom de l'identifiant de l'utilisateur contenue dans le work. Dans ce tmp, chaque cas est enregistré indiqué par sa date de début de calcul, année/mois/jour/heure.

Exemple pour le calcul lancé le 23 février 2015 à 15h41 de la session ccordier:

Cas test DEBORA

Afin de tester les performance de Neptune, EDF a lancé une série d'essai visant à comparer des mesures expérimentales et des mesures CFD. L'écoulement étudié était proche de celui que nous utilisons, il s'agissait d'un cylindre vertical traversé par un flux venant du bas et chauffé en paroi. La géométrie étaient  différentes ainsi que les valeurs des conditions limites et initiales, on travaillait avec du fréon R12 à 26 bars. Ce cas nous a été intégralement fournit par EDF avec son Param et ses fichier fortran. Notre but sera donc de réutiliser les fichiers, en changeant le maillage et en adaptant le Param et les fichiers fortran.

Depuis le réseau ENSEEIHT, on a accès à la documentation du cas sous cette arborescence:

Télécharger le cas test DEBORA ici

Adaptation du cas test DEBORA

MESH

En premier lieu, on ajoute notre maillage (voir chapitre maillage) dans le dossier MESH.

DATA

On ouvre le param dans edamox. Il y a 8 fenêtres à remplir dans la fenêtres principales dont on va voir les caractéristiques tour à tour.

 

 

  • SPECIAL MODULES

On y indique que l'on travail en diphasique avec l'option water/steam.

  • FLUID&FLOW prop

Dans fluid&flow prop, on rentre les propriétés des fluides. Il y a deux phases qui correspondent à deux fluides. Il faut rentrer les masses volumiques, températures de références, etc. Les valeurs thermodynamiques ne servent que pour le premier pas de temps. Ensuite elle seront directement prises dans les tables Cathares.

 

  • INPUT OUTPUT CONTROL

Dans cette section, on rentre la mémoire alloué dans controled memory allocation, à adapter si insufisante. On choisie son maillage qui se trouve dans MESH. Pour le temps final, on règle un temps maximal et un nombre de pas de temps maximal, la simulation s'arrête lorsqu'une de ces 2 conditions est remplie. On prend le mode time-dep afin que le pas de temps s'adapte à chaque itération.La section USER sert à créer des variables qui ne sont pas automatiquement créer par Neptune. Ici, on en a 8 qui sont calculé dans prevap.F:

  • Twall: Température à la paroi
  • PHI: le flux total
  • PHIE: flux d'évaporation
  • PHIC: flux de convection forcé
  • PHIQ: flux de conduction instationnaire
  • DIAM_SAUTER: diamètre de décrochage des bulles
  • AC: Aire d'échange convective adimensionnel

La section post process, permet de données la fréquence des différents types de sorties. Chrono détermine les sortie des fichiers ensight (soit par fréquences, soit par nombre d'itérations) , histo permet de sortir les valeurs de sondes placés dans le domaine,le listing permet de donner la fréquence de sortie du listing en nombre de pas de temps. Ici, on sort chaque pas de temps dans le listing, un pas sur dix sur paraview et on n'utilise aucune sonde.

 

  • GENERALITIES

On règle des paramètres globaux,comme le sens de la gravité, la pression initiale. Pour la gravité, il faut penser à l'orienter dans la direction du maillage. Dans la section thermo, il est important de choisir les CATHARE functions avec comme fluide de l'eau. Ce sont des tables thermodynamiques de l'eau qui permettent à Neptune de connaître pour toutes les conditions de pression et température, les propriétés de l'eau gazeuse et liquide (masse volumique, viscosité dynamique, pression de vapeur saturante, capacité calorifiques...). Pour cette raison, les propriétés thermodynamiques données dans FLUID&FLOW PROP ne seront pas lu par edam. Si on travail avec d'autre fluide que de l'eau ou du Freon dont les caractéristique sont données par les tables Cathares, on pourra utiliser usphiv qui permet de donner des grandeurs thermodynamiques. On choisit le modèle à  4 flux.

  • NUMERICAL SCHEME

Dans numerical scheme, on fera attention à choisir une pression maximal et minimal qui contiennent notre pression initial (1 bar).

 

 

  • BOUNDARY CONDITIONS

On définit les conditions sur les 5 types de limites.
Sur l'entrée inférieur, on impose une température d'entrée quelques degrés inférieurs à la température d'ébullition. Rien ne sert de régler le débit, il est imposé dans usclim.F. En sortie, on impose une condition en sortie  de différence de pression nul. On rajoute une pression de sortie de 1 bar (égale à la pression initiale).A la paroi chauffante, le flux imposé est donnée dans usclim.F. Sur les deux symétries (intérieur du cylindre et symétrie planes), on impose un flux nul.

 

  • SCALARS

On définit des scalaires passifs. Ce sont les enthalpies de chaque phase. Ils serviront à déterminer la température.

 

 

  • VARIABLE OUTPUT CONTROL

On choisit l'ensemble des variables à sortir dans le listing où le fichier ensight. C'est ici, que l'on choisit également de sortir les USERS calculé à part.

 

FICHIERS FORTRAN

Dans le dossier SRC, on place 3 fichier FORTRAN:

  • prevap.F: qui calcule l'évaporation avec un modèle d'ebullition nuclée en paroi et permet de sortir de nombreux paramètres sur paraview (les USERS)
  • uscase.F: sert à renseigner le tableau user, si on à moins de 8 user, on peux le conserver tel quel.
  • usclim.F: permet de définir les condition limites que l'on ne rentre pas directement dans edamox. Il est important de modifier les paramètres principaux à l'intérieur.

 

USCLIM.F

Il existe quelques différence entre le usclim.F de DEBORA et le usclim.F par défaut dans SRC/USER que l'on peut mettre en évidence avec la commande tkdiff. Il faut toujours y faire attention car elles peuvent être une source d'erreur.

Pour améliorer la convergence du calcul, le flux de chaleur n'est pas imposé immédiatement au temps initial mais avec une rampe jusqu'à atteindre sa température maximal. De la ligne 309 à 310, on règle le flux maximal FLUMAX en W/m^2, le débit d'entrée en kg/(m^2 s), le temps du début de la rampe TDEBF et de fin de la rampe TFINF.

 

 

 

A la ligne 823, le flux est imposé à la paroi, il faut veiller à ce que la référence indiquée soit bien celle de la paroi si on utilise des maillages différent. Dans notre cas, on met 50 comme dans notre maillage.

La ligne 832 à 834 indique permet de ne chauffer la paroi que pour une auteur inférieur à 0.9m, si on veut chauffer l'intégralité de la paroi, il faut commenter ces lignes.

 

Dans usclim.F est calculé le débit total à partir du débit surfacique et du rayon, il faut donc bien faire attention de lui donner le bon rayon  à la ligne 615 (ici 3,5 mm).

 

Validation de l'hydrodynamique

Avant de réellement étudier notre cas, nous allons vérifier que NEPTUNE_CFD donne des résultats physiquement corrects et nous allons les comparer à des résultats analytiques.

En théorie

Dans le cas que nous étudions, la vitesse varie entre 0,5 m/s et 3 m/s. On obtient donc des nombres de Reynolds supérieur à 10 000, ce qui assure la nature turbulente de l'écoulement. $$ Re= \frac {v d }{\nu } $$

 

Proche de la paroi se développe une couche limite composé de différentes sous couches. Au plus près de la paroi, on a la sous-couche visqueuse. Plus éloigné du mur, on a la zone logarithmique. A l'exterieur, on quitte la couche limite et on se trouve dans la couche externe.

 

 

Résultat des simulations Neptune_CFD

 

Dans un  premier temps, on cherche à valider si le profil de vitesse de l'écoulement turbulent est correctement calculé par le code. Pour cela on lance une simulation pour une température de 90°C et 1 bars et on vérifie que l'écoulement s'établie bien. De manière qualitative, on voit que le fluide s'établie de manière normal, pour l'écoulement ci-dessous, on a pris une vitesse débitante de 1,7 m/s. L'écoulement devient stationnaire au bout de environ 1 seconde.

 

On trace les profils de vitesses horizontaux pour différentes hauteurs du tube. On voit qu'à partir de la mi-hauteur du tube, le profil est bien établie il n'y a plus d'évolution de l'écoulement. Près de la paroi, le fluide est bien ralentie.