Cette étude s'inscrit dans le cadre de la modélisation Euler-Euler des écoulements dispersés bouillants à haute pression rencontrés dans l'industrie nucléaire. Elle vise à prédire lesgrandeurs physiques locales avec précision. Dans un premier temps, nous avons identifié les phénomènes physiques ayant le plus d'influence sur la prédiction des variables diphasiques par le modèle à deux fluides en fonction des conditions d'écoulement en utilisant des lois de fermetures standards. Le bilan d'enthalpie du liquide révèle que la température du liquide est déterminée par un équilibre entre la diffusion turbulente radiale de la chaleur de la paroi, les effets thermiques inertiels axiaux et un échange interphase par condensation. Les prédictions dans la région proche de la paroi sont améliorées par l'utilisation d'un limiteur du flux de chaleur liquide dans le modèle de partitionnement du flux de chaleur (HFP) de la paroi. Le bilan radial de quantité de mouvement de la vapeur est dominé par la dispersion turbulente qui éloigne la vapeur de la paroi, cet effet étant contrebalancé par les forces de traînée et de portance. L'équilibre résultant est fortement dépendant des lois de fermeture adoptées.
Dans un second temps, l'objectif a consisté à s'affranchir de la sensibilité aux modèles de forces interfaciales du modèle à deux fluides en développant un modèle de vitesse relative radiale reproduisant la distribution spatiale de la phase vapeur dans le cadre d'un modèle à flux de dérive, le Drift-Flux Model (DFM) local. Une expression a été établie pour la vitesse relative à partir des bilans de masse des deux phases. Celle-ci explicite la relation entre les composantes radiale et axiale de la vitesse relative et les autres grandeurs du système pour des écoulements saturés ou sous-refroidis. Cette expression permet de développer un modèle empirique simple pour la vitesse relative radiale. Celui-ci a été validé à priori par comparaison à la vitesse relative prédite par le modèle à deux fluides. Enfin, nous avons implémenté ce modèle de vitesse relative dans le module DFM du code de calcul TRUST/TrioCFD. Il a été validé à posteriori en prenant comme critère la prédiction de profils radiaux de taux de vide pour différentes configurations d'écoulement. Cette étude permet ainsi de réaliser une première évaluation de modèles réduits par rapport au modèle à deux fluides, valables dans le cadre des écoulements bouillants présentant un fort couplage dynamique dans la direction axiale.
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This study is part of the Euler-Euler modeling framework for high-pressure boiling dispersed flows encountered in the nuclear industry. Its objective is to accurately predict local physical quantities. In a first step, we identified the physical phenomena that most strongly influence the prediction of two-phase quantities by the two-fluid model as a function of flow conditions, using standard closure laws. The enthalpy balance of the liquid phase reveals that the liquid temperature is determined by an equilibrium between radial turbulent diffusion of heat from the wall, axial inertial thermal effects and an interphase exchange by condensation. Predictions in the near-wall region are improved by the use of a limiter on the liquid heat flux in the wall Heat Flux Partitioning (HFP) model. The radial momentum balance of the vapor phase is dominated by turbulent dispersion, which drives the vapor away from the wall, this effect being counterbalanced by drag and lift forces. The resulting equilibrium is highly sensitive to the chosen closure laws.
In a second phase, the objective was to overcome the sensitivity to interfacial force models inherent to the two-fluid approach by developing a radial relative velocity model capable of reproducing the spatial distribution of the vapor phase within the framework of the local Drift-Flux Model (DFM). An analytical expression for the relative velocity was derived from the mass balances of both phases. It explicitly links the radial and axial components of the relative velocity to other physical quantities, for both saturated and subcooled flow conditions. This expression allows us to develop a simple empirical model for the relative radial velocity. This model has been validated a priori by comparison with the relative velocity predicted by the two-fluid model. Finally, we implemented this relative velocity model within the DFM module of the TRUST/TrioCFD simulation code. It was validated a posteriori by comparing the predicted radial void fraction profiles with reference data for various flow configurations. This study thus provides an initial assessment of reduced models in relation to the two-fluid approach, valid for boiling flows with strong dynamic coupling in the axial direction. |