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.

Abstract

Nuclear fuel assemblies are exposed to primarily high-speed axial flow during operation in order to cooldown the fuel rods. To mitigate the risks of high pressure gradients in case of a loss-of-coolant accident (LOCA), strategically located LOCA holes have been placed around the core. The side effect of these LOCA holes is that they allow for localised crossflow jets to impinge on the fuel assembly, which can give rise to flow-induced vibrations and possible mechanical degradation of the fuel rods over the long term, which can lead to catastrophic failures. Studies of this particular geometry are mostly focused on the vibrations of the rods themselves and not on the flow patterns inducing them. In this study particle image velocimetry (PIV) and direct numerical simulations (DNS) are used to obtain velocity profiles and fluctuations in a confined six by six cylinder array for a jet Reynolds number of 17.5 × 103 for experimental work and 2.3 × 103 for the simulations. The goal is to understand the contribution of each cylinder in the flow pattern and identify those responsible for turbulence effects. We consider various configurations of equally spaced cylinders (pitch to diameter ratio, P/D = 1.32) as well as different eccentricities of the jet impacting the bundle. When the nozzle is aligned on the pitch zone between two cylinders, a biased flow pattern is identified, leading to an asymmetrical distribution of the velocity in the bundle and a bi-stable situation. In contrast, when the alignment is done on the centre of a cylinder, a rather symmetrical and more stable flow pattern emerges. Independently of the configuration, the momentum of the jet is first lost to the streamwise normal Reynolds stress component within the pitch zones of the leading set of cylinders and later to the transverse normal Reynolds stress component in their wake. The turbulent effects created by the first row of cylinder also lead to a downward (or upward) direction along the transverse direction of the flow. The reduced spacing between two cylinders is responsible for localized jet-like flows which deteriorate rapidly the kinetic energy of the impinging jet limiting its development downstream. The velocity in the bundle after three rows of cylinders is only 20 % of the initial velocity, resulting in a significant decrease in flow rate downstream. Strouhal numbers after the first row differ from known experimental results of tandem and side-by-side cylinders for similar spacing ratios. For tightly spaced bundles, it is not possible to infer the behavior from the flow past a pair of cylinders.