A porous medium approach for the fluid-structure interaction modelling of a water pressurized nuclear reactor core fuel assemblies : simulation and experimentation
Une approche milieu poreux pour la modélisation de l'interaction fluide-structure des assemblages combustibles dans un coeur de réacteur à eau pressurisée : simulation et expérimentation
Résumé
The designing of a pressurized water reactor core subjected to seismic loading, is a major concern of the nuclear industry.
We propose, in this PhD report, to establish the global behaviour equations of the core, in term of a porous medium. Local equations of fluid and structure are space averaged on a control volume, thus we define an equivalent fluid and an equivalent structure, of which unknowns are defined on the whole space. The non-linear fuel assemblies behaviour is modelled by a visco-elastic constitutive law. The fluid-structure coupling is accounted for by a body force, the expression of that force is based on empirical formula of fluid forces acting on a tube subject to an axial flow. The resulting equations are solved using a finite element method.
A validation of the model, on three experimental device, is proposed. The first one presents two fuel assemblies subjected to axial flow. One of the two fuel assemblies is deviated from its position of equilibrium and released, while the other is at rest. The second one presents a six assemblies row, immersed in water, placed on a shaking table that can simulate seismic loading. Finally, the last one presents nine fuel assemblies network, arranged in a three by three, subject to an axial flow. The displacement of the central fuel assembly is imposed. The simulations are in agreement with the experiments, the model reproduces the influence of the flow of fluid on the dynamics and coupling of the fuel assemblies.
We propose, in this PhD report, to establish the global behaviour equations of the core, in term of a porous medium. Local equations of fluid and structure are space averaged on a control volume, thus we define an equivalent fluid and an equivalent structure, of which unknowns are defined on the whole space. The non-linear fuel assemblies behaviour is modelled by a visco-elastic constitutive law. The fluid-structure coupling is accounted for by a body force, the expression of that force is based on empirical formula of fluid forces acting on a tube subject to an axial flow. The resulting equations are solved using a finite element method.
A validation of the model, on three experimental device, is proposed. The first one presents two fuel assemblies subjected to axial flow. One of the two fuel assemblies is deviated from its position of equilibrium and released, while the other is at rest. The second one presents a six assemblies row, immersed in water, placed on a shaking table that can simulate seismic loading. Finally, the last one presents nine fuel assemblies network, arranged in a three by three, subject to an axial flow. The displacement of the central fuel assembly is imposed. The simulations are in agreement with the experiments, the model reproduces the influence of the flow of fluid on the dynamics and coupling of the fuel assemblies.
Le dimensionnement au séisme, du cœur d'un réacteur à eau pressurisée, est une préoccupation majeure de l'industrie du nucléaire.
Nous proposons, dans ce mémoire de thèse, d'établir les équations globales, du comportement du cœur, par une approche milieu poreux. Les équations locales, du fluide et de la structure, sont moyennées sur un volume de contrôle, nous définissons ainsi un fluide équivalent et une structure équivalente, dont les inconnues sont définies sur tout le domaine spatial. Le caractère non linéaire des assemblages combustibles est modélisé par une loi de comportement visco-élastique quadratique. Le couplage fluide-structure est pris en compte par une force volumique dont l'expression est issue de formules empiriques des forces fluides s'exerçant sur un tube soumis à un écoulement axial. Les équations ainsi obtenues sont résolues à l'aide d'une méthode éléments finis.
Une validation du modèle est proposée sur trois séries d'essais. La première présente deux assemblages combustibles soumis à un écoulement axial. L'un des deux assemblages est écarté de sa position d'équilibre et lâché, tandis que l'autre est laissé au repos. La deuxième met en œuvre six assemblages en ligne, immergés dans une eau stagnante, posés sur une table vibrante pouvant simuler un séisme. Enfin, la dernière propose neuf assemblages, disposés en un réseau trois par trois, soumis à un écoulement axial. Le déplacement de l'assemblage central est imposé. Les simulations sont en accord avec les expériences ; le modèle reproduit l'influence de la vitesse d'écoulement du fluide sur la dynamique et le couplage des assemblages.
Nous proposons, dans ce mémoire de thèse, d'établir les équations globales, du comportement du cœur, par une approche milieu poreux. Les équations locales, du fluide et de la structure, sont moyennées sur un volume de contrôle, nous définissons ainsi un fluide équivalent et une structure équivalente, dont les inconnues sont définies sur tout le domaine spatial. Le caractère non linéaire des assemblages combustibles est modélisé par une loi de comportement visco-élastique quadratique. Le couplage fluide-structure est pris en compte par une force volumique dont l'expression est issue de formules empiriques des forces fluides s'exerçant sur un tube soumis à un écoulement axial. Les équations ainsi obtenues sont résolues à l'aide d'une méthode éléments finis.
Une validation du modèle est proposée sur trois séries d'essais. La première présente deux assemblages combustibles soumis à un écoulement axial. L'un des deux assemblages est écarté de sa position d'équilibre et lâché, tandis que l'autre est laissé au repos. La deuxième met en œuvre six assemblages en ligne, immergés dans une eau stagnante, posés sur une table vibrante pouvant simuler un séisme. Enfin, la dernière propose neuf assemblages, disposés en un réseau trois par trois, soumis à un écoulement axial. Le déplacement de l'assemblage central est imposé. Les simulations sont en accord avec les expériences ; le modèle reproduit l'influence de la vitesse d'écoulement du fluide sur la dynamique et le couplage des assemblages.