Modélisation tridimensionnelle des écoulements diphasiques C. Morel, DER/SSTH...

Modélisation tridimensionnelle des écoulements diphasiques

C. Morel, DER/SSTH

Christophe.morel@cea.fr

Plan de l’exposé

• Brève présentation du code NEPTUNE_CFD

• Présentation de l’interface graphique Edamox axée sur les choix de modèles

• Étude d’un cas complexe

• Exemples (Kamp, Cosi, Laokoon, Thorpe)

Présentation de NEPTUNE_CFD

• Code multi-phasique basé sur une approche RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes)

• 1 à 20 phases (choix de l’utilisateur)

• Phase 1 continue, phases 2 et suivantes dispersées dans la phase 1

• Thermique en option (possibilité de calculs isothermes sans équations d’énergie)

Présentation de NEPTUNE_CFD

• Equations de base: masse, quantité de mouvement et enthalpie totale (par phase)

• Equations en option pour:

• Turbulence (modèles K-, q2-q12, R2ij-q12)

• Aire interfaciale volumique

• Gaz incondensables

• Scalaires passifs (définis par l’utilisateur)

Présentation de NEPTUNE_CFD

• Variables co-localisées aux centres des mailles

• Utilisation de filtres Rie & Chow pour éviter les problèmes de modes parasites

• Maillages non structurés non conformes

Equations de NEPTUNE_CFD

• Masse:

• Quantité de mouvement:

kkkkkkkk V.

t

...)ajoutéemasse,trainée(forcesautresM

turbulenteetemoléculairdiffusion.

gravitéetpressiongradientgP

kphasemoyenneonaccélératiDt

VD

k

T

kkkk

kkkk

kkkkk

Equations de NEPTUNE_CFD

• Enthalpie totale:

chaleuretmasseerfacialinttransfertaqHH

)chauffanteparoi.g.e,chaleur(cetandisàsourceQ

pressiondetermest

P

turbulenteetemoléculairdiffusionqq.

totaleenthalpie'diationvarDt

HD

Ikikkk

kkkk

k

T

kkkk

kkkkk

Modèle K- pour la phase liquide

• Hypothèse d’un écoulement à bulles

LLLGDG

LLLLLLLL

LK

TL

LL

LLLLL

KVV.M1

V:vv

K.1

VK.t

K

LL

L

b

LGDG

L

3LLLL

L

LL

L

2L

L

L

TL

LL

LLLLL

VV.MCV:vv

KC

KC

.1

V.t

12

Bilan d’aire interfaciale

• Ecoulement à bulles:

breakup/ecoalescencI

oncondensati/névaporatio

GG

gazdutédilatabili/ilitécompressib

GIGG

G

IIGI

I adfmd4

.vt3

a2va.

t

a

Présentation de NEPTUNE_CFD

• Modèles disponibles depuis l’interface utilisateur Edamox:

• Modèles de trainée (e.g. Ishii, 1990, Schiller & Naumann, SIMMER pour écoulements à phases séparées)

• Modèles de masse ajoutée (avec correction de Zuber ou non)

• Modèle de lift (Tomiyama, 1998)• Force de dispersion turbulente (Lopez de

Bertodano)

Edamox

Choix des modèles de turbulence

Modèles de collisions et types de conditions aux parois

Modèles de forces interfaciales

Traitement phases séparées (écoulements stratifiés)

Propriétés des fluides (tables)

Physiques particulières

Exemple: étude d’un cas complexe

• Phase 1: eau liquide

• Phase 2: vapeur

• Phase 3: particules solides

• Phase 4: gaz

• Les particules solides réagissent et forment un gaz au contact de l’eau

Exemple: étude d’un cas complexe

• Le domaine comporte deux entrées: une injection d’eau froide, une injection de particules solides

Définition de l’état initial

• Domaine stratifié (eau en bleu, vapeur en rouge) à saturation, la répartition de pression étant hydrostatique

Modélisation des pompes

• Pompes aspirant de la vapeur via les e/s libres modélisées par une source de quantité de mouvement.

Equations résolues

• 4 équations de masse

• 4 équations de quantité de mouvement

• 4 équations d’enthalpie

• Une équation pour le nombre volumique de particules

Maillage utilisé

Paramétrage dans Edamox

Exemple 1: expérience de Kamp

• Écoulements à bulles ascendant, descendant et en microgravité

• Écoulement eau/air adiabatique en conduite

• Mesure des profils radiaux de taux de vide, de vitesses moyennes liquide et gaz, et de fluctuation turbulente (rms velocity) du liquide

Exemple 2: COSI

• PTS (Pressurized Thermal Shock) in PWR

• Etude de l’ensemble Branche Froide + Downcomer

• Injection d’eau froide dans un écoulement stratifié d’eau chaude et de vapeur.

• Mesure de profils verticaux de température liquide

Exemple 3: LAOKOON

• Écoulement stratifié horizontal d’eau sous-refroidie avec condensation de vapeur saturée le long de la surface libre.

• Calcul avec ANSYS CFX

• Mesures du profil vertical de température liquide à 790 mm de l’entrée.

Équations résolues par CFX sur le cas LAOKOON

• Bilan de masse pour le mélange diphasique• Bilan de quantité de mouvement pour le mélange

diphasique• 2d bilan masse pour la hauteur de la couche d’eau

(taux de présence de l’eau liquide)• Bilan d’enthalpie pour le liquide (vapeur saturée)• Modèle k--k- SST pour la diffusion turbulente

Water

Steam

990

790

106

31

300,00

320,00

340,00

360,00

380,00

400,00

420,00

440,00

460,00

0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12

Height, m

Tem

per

atu

re,

K

Data

Calculation

Maillage LAOKOON pour CFX

300,00

320,00

340,00

360,00

380,00

400,00

420,00

440,00

460,00

0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12

Height, m

Tem

per

atu

re,

K

Data

Calc., no masstransfer

Calc.,condensation

Exemple 4: THORPE

Figure 1.Description of the Thorpe’s experiment

Description de THORPE

• 2 fluides superposés de densités voisines et de viscosités voisines.

• Tension de surface mesurée: = 0.04 N/m• La boite contenant les fluides subit des

oscillations (angle ) générant à l’intérieur les ondes de surface.

• Étude de l’instabilité de Kelvin-Helmholtz• Écoulement laminaire (Re = 183)

Équations résolues par Fluent sur le cas THORPE

• Méthode VOF pour le suivi d’interface

• 2 bilans masse pour les 2 phases

• 1 seul bilan de quantité de mouvement pour le mélange diphasique

• Tension de surface prise en compte: test de la sensibilité à la tension de surface: = 0.04, 0.02 ou 0 N/m.

Sensibilité à la tension de surface

= 0.00 N/m

= 0.02 N/m

= 0.04 N/m

Time = 3.0 s

Comparaison NEPTUNE versus FLUENT

• Tension de surface nulle (non disponible dans NEPTUNE).

• FLUENT utilise une équation de mélange pour la quantité de mouvement, alors que NEPTUNE utilise des équations séparées pour les deux phases.

t = 1.2 s t = 1.2 s

t = 1.4 s t = 1.4 s

t = 1.7 s t = 1.7 s

t = 2.0 s t = 2.0 s

FLUENT V6.2.16 NEPTUNE CFD V1.0.3

Figure 24. Axial velocity: FLUENT vs. NEPTUNE

a) b)