Etude de la fragmentation des jets liquides pour l'évaluation des conséquences des feux de sodium : analyse de jets par ombroscopie et modélisation numérique
Institution:
Toulouse, INPTDisciplines:
Directors:
Abstract EN:
In the framework of Sodium-cooled Fast Reactor developing project, the control of risks related to the chemical reactivity of sodium represents a major challenge for safety analyses. In particular, the flammability of liquid sodium in contact with air requires the assessment of sodium fire consequences due to an accidental leak. In the case of a pulverized fire, the fragmentation of the sodium jet into droplets leads to very large exchange surfaces which enhance combustion. The consequences of a sodium fire are then all the more serious as the degree of fragmentation and the contact surface with air are important. The main objective of this thesis was therefore to study the fragmentation of liquid jets in leak scenarios on the main cooling circuits of an SFR and to characterize the drops produced by jet atomization. An experimental study using shadowgraph technique allowed to characterize the fragmentation of liquid jets using water as simulant fluid. Image processing methods were developed during the thesis to measure the size, velocity and concentration distributions of drops as a function of the ejection conditions (nozzle diameter, ejection rate/velocity, jet orientation) at different positions along the jet. Analysis of the experimental measurements successfully validated a model based on turbulence analysis to predict primary drop size with respect to the jet conditions at the break exit. In addition, a primary fragmentation model was implemented in the NEPTUNE-CFD multiphase CFD code by introducing a droplet breakup criterion based on the energy balance in the interfacial cells, as well as the source term for mass transfer from the continuous liquid phase to the dispersed field of droplets. First comparisons between experimental tests and 2D calculations confirm the consistency of the simulation with the evolution trends observed experimentally. Moreover, the transposition of the study to the case of sodium was initiated by defining the sodium jet conditions of a future experimental program.
Abstract FR:
Dans le cadre du développement des réacteurs nucléaires refroidis au sodium, la maîtrise des risques liés à la réactivité chimique de ce caloporteur représente un enjeu important pour les analyses de sûreté de ce type de réacteurs. En particulier, l’inflammabilité du sodium liquide au contact de l’air nécessite d’évaluer les conséquences d’un feu de sodium occasionné par une fuite accidentelle. Dans le cas d’un feu pulvérisé, la fragmentation du jet de sodium sous forme de gouttelettes conduit à des surfaces d’échange très importantes et propices à la combustion. Les conséquences d’un feu de sodium sont alors d’autant plus graves que le degré de fragmentation et la surface de contact avec l’air sont importants. L’objectif principal de cette thèse a donc été d’étudier la fragmentation de jets liquides dans des scénarios de fuite représentatifs des réacteurs industriels et de caractériser les gouttes produites afin de développer une modélisation du phénomène. Une étude expérimentale utilisant la technique d’ombroscopie a permis de caractériser la fragmentation de jets liquides en utilisant l’eau comme fluide simulant. Des méthodes de traitement d’image ont été mises au point au cours de la thèse pour mesurer les distributions de taille, de vitesse et les concentrations de gouttes en fonction des conditions d’éjection (diamètre de buse, débit/vitesse d’éjection, orientation du jet) et en différentes positions le long du jet. L’analyse des mesures expérimentales a validé un modèle basé sur l’analyse de la turbulence pour prédire la taille des gouttes primaires d’une manière satisfaisante et en conformité avec les études de sensibilité menées expérimentalement. En outre, un modèle de fragmentation primaire a été implémenté dans le code de calculs multiphasique NEPTUNE-CFD en définissant un critère de création de gouttes basé sur le bilan d’énergies dans les mailles interfaciales, ainsi que le terme source de transfert de masse de la phase liquide continue vers le champ de gouttes dispersées. De premières comparaisons entre les essais expérimentaux et des calculs en 2D confirment la cohérence de la simulation avec les tendances d’évolution observées expérimentalement. De plus, la transposition de l’étude au cas du sodium a été initiée en définissant les conditions d’un programme expérimental.