Écoulement d'un jet impactant un faisceau de cylindres : vélocimétrie par image de particules et simulations numériques

Le cœur d'un réacteur nucléaire est principalement refroidi par un écoulement d'eau axial à haute vitesse qui permet la production de vapeur, et la production d'énergie. Lors du fonctionnement nominal, cet écoulement suffit à conserver les barres d'uranium à leurs températures de fonctionnement. En revanche, dans le cas d'une perte accidentelle de liquide de refroidissement (LOCA), de forts gradients de pression peuvent apparaître au sein du faisceau de combustible. Pour limiter ce risque, des perçages ont été faits sur les plaques déflectrices qui entourent le cœur, qui entraînent la création de jets transverses localisés qui viennent impacter les cylindres. Ces derniers peuvent donner lieu à des vibrations induites par l'écoulement et provoquer une fatigue sur les barres de combustibles, qui avec le temps peuvent se briser. La majeure partie des études qui traitent de cette géométrie se concentrent sur la vibration des cylindres, et non les phénomènes visibles dans l'écoulement qui en sont responsables. Dans cette étude des mesures avec la méthode de vélocimétrie par image de particules (PIV) ainsi que des simulations numériques directes (DNS) ont été utilisées. L'obtention de champs de vitesses ainsi que des quantités turbulentes pour différents arrangements de cylindres et excentricités du jet, dans un faisceau équitablement espacé (rapport d'écart entre les cylindres, P/D = 1.32) ont été obtenus pour des nombres de Reynolds du jet de 17.5 × 103 et 2.3 × 103. Le but de ces mesures est d'identifier quels sont les cylindres responsables des principaux effets turbulents et de comprendre les effets vibratoires qu'ils engendrent dans l'écoulement. Lorsque la buse du jet est alignée sur la zone intercylindres, la distribution de la vitesse de l'écoulement autour des cylindres n'est pas uniforme, mais asymétrique, résultat de la position bistable visible pour deux cylindres en parallèle avec cet écartement. En revanche, le cas du jet centré sur le centre d'un cylindre permet d'obtenir une répartition plus symétrique de la vitesse dans le faisceau. Indépendamment de l'alignement du jet par rapport au faisceau, l'écoulement s'oriente dans la direction transverse au jet après le passage de la première rangée de cylindres suite à l'apparition de phénomènes turbulents. Ces derniers limitent aussi la progression dans le faisceau, la vitesse est réduite à 20 % de celle du jet après trois rangées. L'énergie cinétique du jet est en premier lieu redistribuée en contrainte de Reynolds normale à l'axe de l'écoulement suite au passage des premiers cylindres, puis en contrainte de Reynolds normale à la direction transverse dans leurs sillages.