La partie des tubes en U des générateurs de vapeur des centrales nucléaires est soumise à des vibrations induites par l'écoulement du mélange eau-vapeur. Les mécanismes sous-jacents des forces induites par des écoulements diphasiques restent largement méconnus. Des expériences à échelle réduite d'écoulements transverses diphasiques sont souvent utilisées pour étudier ces phénomènes, mais les simulations numériques représentent des outils prometteurs pour acquérir des connaissances physiques et des capacités prédictives. L'objectif de ce travail est d'évaluer et d'améliorer la capacité des simulations CFD à deux fluides à prédire les écoulements diphasiques, dans le but d'analyser la résultante des forces fluides sur les parois des tubes.
Ce travail repose sur les simulations numériques de l'installation expérimentale TREFLE, détenue par l'ASNR, qui génère des écoulements transverses air-eau dans un faisceau de tubes. L'approche “tout-régime” à deux-fluides Generalized Large Interface Model (GLIM) implémentée dans le code Neptune-CFD est utilisée.
Dans le cadre du développement de l'approche GLIM, une nouvelle fonction de mélange est proposée pour améliorer la capacité du modèle à gérer simultanément les phases à interface résolue et dispersée. La nouvelle formulation, appelée GLIM-gamma, implique l'utilisation de deux constantes supplémentaires définies par l'utilisateur qui nécessitent une calibration : une validation et une analyse de sensibilité avec une série de cas tests à travers divers régimes d'écoulement à deux phases ont été réalisées. Par la suite, le modèle proposé est appliqué pour prédire l'écoulement transverse intermittent à deux phases dans l'installation TREFLE. La comparaison avec les données expérimentales disponibles de qualité CFD montre que le modèle capture avec précision le comportement de l'écoulement à deux phases et la résultante des forces fluides sur les parois des tubes. |
In nuclear power plants, the U-tube steam generators experience flow-induced vibrations driven by the steam-water flow. The underlying mechanisms of two-phase flow-induced forces remain significantly unknown. Reduced-scale two-phase cross-flow experiments are often used to study these phenomena, but numerical simulations represent a promising tool to gain physical insights and predictive capabilities. The objective of this work is to assess and improve the ability of two-phase CFD simulations to predict two-phase flow and ultimately to analyze the resulting fluid forces on the tubes.
This work relies on the numerical simulations of the ASNR TREFLE facility, generating air-water cross-flow in a tube bundle, using the two-fluid ``morphology-adaptive'' Generalized Large Interface Model (GLIM) implemented in the Neptune-CFD code.
Within the framework of GLIM, a new blending function is proposed to improve the capability of the model to handle both interface-resolved and dispersed phases. The new formulation, referred to as GLIM-gamma, implies the use of two additional user-defined constants, that require calibration: validation and sensitivity analysis against a series of test cases across various two-phase flow regimes were realized. Subsequently, the proposed model is applied to predict intermittent two-phase cross-flow within the TREFLE facility. Comparison with the available CFD-grade experimental data shows that the model accurately captures the two-phase flow behavior and the fluid forces acting on the tube walls. |