Étude expérimentale des écoulements eau-air à haut taux de vide dans les faisceaux de tubes

Les écoulements diphasiques sont très présents dans l'industrie, que ce soit dans le secteur industriel pétrolier ou dans les générateurs de vapeur des centrales nucléaires. Nous nous intéressons particulièrement à ce dernier secteur, et notamment aux écoulements diphasiques à haut taux de vide se présentant dans la partie supérieure du générateur de vapeur, où un écoulement transverse aux tubes a lieu. Dans cette région, les fluides exercent d'importants efforts sur les tubes, ce que nous voulons analyser. Pour cela il faut être capable dans un premier temps de déterminer le régime de l'écoulement diphasique, qui peut être à bulles, intermittent, ou encore annulaire. Il faut pour cela que nous caractérisions ces divers régimes. Pour déterminer la nature des écoulements, de nombreuses études ont été réalisées, mais la plupart d'entre elles étaient effectuées pour des écoulements internes dans des tubes cylindriques et non pour des écoulements externes transverses représentant la géométrie d'un générateur de vapeur. Nous avons alors entrepris une campagne de mesures pour un écoulement transverse à un faisceau de tubes représentatif de la partie haute d'un générateur de vapeur. Nous nous sommes intéressés aux écoulements à haut débit de gaz qui sont particulièrement méconnus alors qu'ils sont potentiellement responsables de dégradations. À l'aide de mesures de pression et de taux de vide, nous avons caractérisé les divers régimes d'écoulements, et défini les débits de fluides pour lesquels chacun était visible. Nous avons obtenu des cartes d'écoulement plus complètes que celles présentées dans la littérature, grâce à une nouvelle méthodologie. Nous nous sommes ensuite concentrés sur le régime d'écoulement pour lequel d'importantes fluctuations de pression sont visibles, car il s'agit du régime pour lequel les dégradations seront les plus importantes sur les tubes du générateur de vapeur. Nous avons alors mis en évidence deux types de fluctuations de pression à des fréquences différentes. Nous avons caractérisé les dépendances de ces fluctuations aux vitesses des fluides, à l'altitude dans la section, à la pression moyenne dans la section, ainsi qu'à la géométrie de la sortie. Ainsi cette étude a permis, à l'aide d'une nouvelle méthodologie, d'apporter une nouvelle compréhension sur les comportements responsables de forces destructrices dans les générateurs de vapeur des centrales nucléaires.

Abstract

Two-phase flows are very frequent in the industry, especially in the petroleum industry and in the nuclear industry. In steam generators of nuclear plants, water is heated so that at the top of the generator an important fraction of the water flows as gas. In this upper part a two phase flow transverse to the tube bundle takes place. Fluids exert significant forces on the tubes in this area, and that is why we want to study this specific geometry. For this we must gather information on the flow conditions associated to the different two-phase flow patterns, which can be bubbly, intermittent, or annular. This requires that we characterize first those flow patterns. Many studies have been done to determine the nature of the flows, but most of them were carried out for internal flows in cylindrical tubes and not for transverse external flows typical of flow inside a steam generator. We undertook an experimental campaign for a transverse flow in a tube bundle representative of the flow in a steam generator. We were particularly interested with flow patterns that contain high gas fraction. This kind of flow are particularly not well known and they are potentially responsible for damages. Using pressure and void fraction measurements, we characterized the flow patterns and their corresponding flow rates. We obtained a more complete flow pattern map than those presented in the literature, thanks to a new methodology. We then focused on the flow pattern for which significant pressure fluctuations are noticeable. For this pattern, important damages are expected on the tubes of the steam generator. We showed that two types of pressure fluctuations occur at different frequencies. We characterized dependencies of these fluctuations in term of fluid velocities, location in the experimental setup, mean pressure, as well the geometry of the exit. Thanks to a new methodology, this study brought a new understanding on causes of destructive forces in the steam generators of nuclear power plants.