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Qu’est-ce que la formule de nombre de Reynolds – Définition

Nombre de Reynolds. Le nombre de Reynolds est le rapport entre les forces d’inertie et les forces visqueuses et constitue un paramètre permettant de prédire si un écoulement sera laminaire ou turbulent. Génie thermique

Formule de nombre de Reynolds

Le nombre de Reynolds est le rapport des forces d’ inertie aux forces visqueuses et est un paramètre commode pour prédire si une condition d’écoulement sera laminaire ou turbulent . On peut interpréter que lorsque les forces visqueuses sont dominantes (flux lent, Re faible) elles sont suffisantes pour maintenir toutes les particules de fluide en ligne, alors le flux est laminaire. Même un très faible Re indique un mouvement de fluage visqueux, où les effets d’inertie sont négligeables. Lorsque les forces d’inertie dominent sur les forces visqueuses (lorsque le fluide s’écoule plus rapidement et que Re est plus grand), l’écoulement est turbulent.

Le numéro de Reynold

Il s’agit d’un nombre sans dimension comprenant les caractéristiques physiques de l’écoulement. Un nombre de Reynolds croissant indique une turbulence croissante de l’écoulement.

La formule numérique de Reynolds est:
Le numéro de Reynold

où:
V est la vitesse d’écoulement,
D est une dimension linéaire caractéristique , (longueur parcourue du fluide; diamètre hydraulique, etc.)
ρ densité du fluide (kg / m 3 ),
μ viscosité dynamique (Pa.s),
ν viscosité cinématique ( m 2 / s); ν = μ / ρ.

Débit laminaire ou turbulent

Écoulement laminaire:

  • Re <2000
  • vitesse «faible»
  • Les particules fluides se déplacent en ligne droite
  • Les couches d’eau s’écoulent les unes sur les autres à différentes vitesses sans pratiquement aucun mélange entre les couches.
  • Le profil de vitesse d’écoulement pour un flux laminaire dans des tuyaux circulaires est de forme parabolique, avec un débit maximal au centre du tuyau et un débit minimal au niveau des parois des tuyaux.
  • La vitesse d’écoulement moyenne correspond à environ la moitié de la vitesse maximale.
  • Une analyse mathématique simple est possible.
  • Rare en pratique dans les systèmes d’eau .

Écoulement turbulent:

  • Re> 4000
  • ‘vitesse élevée
  • L’écoulement est caractérisé par le mouvement irrégulier des particules du fluide.
  • Le mouvement moyen est dans le sens de l’écoulement
  • Le profil de vitesse d’écoulement pour un écoulement turbulent est assez plat sur la section centrale d’un tuyau et tombe rapidement extrêmement près des parois.
  • La vitesse d’écoulement moyenne est approximativement égale à la vitesse au centre du tuyau.
  • L’analyse mathématique est très difficile.
  • Type d’écoulement le plus courant .

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Cet article est basé sur la traduction automatique de l’article original en anglais. Pour plus d’informations, voir l’article en anglais. Pouvez vous nous aider Si vous souhaitez corriger la traduction, envoyez-la à l’adresse: translations@nuclear-power.com ou remplissez le formulaire de traduction en ligne. Nous apprécions votre aide, nous mettrons à jour la traduction le plus rapidement possible. Merci

Qu’est-ce que le nombre de Reynolds – Définition

Le nombre de Reynolds est le rapport entre les forces d’inertie et les forces visqueuses et constitue un paramètre pratique pour prédire si une condition d’écoulement sera laminaire ou turbulente. Génie thermique

Le nombre de Reynolds

Le nombre de Reynolds est le rapport des forces d’ inertie aux forces visqueuses et est un paramètre commode pour prédire si une condition d’écoulement sera laminaire ou turbulent . On peut interpréter que lorsque les forces visqueuses sont dominantes (flux lent, Re faible) elles sont suffisantes pour maintenir toutes les particules de fluide en ligne, alors le flux est laminaire. Même un très faible Re indique un mouvement de fluage visqueux, où les effets d’inertie sont négligeables. Lorsque les forces d’inertie dominent sur les forces visqueuses (lorsque le fluide s’écoule plus rapidement et que Re est plus grand), l’écoulement est turbulent.

Le numéro de Reynold

Il s’agit d’un nombre sans dimension comprenant les caractéristiques physiques de l’écoulement. Un nombre de Reynolds croissant indique une turbulence croissante de l’écoulement.

Il est défini comme:
Le numéro de Reynold

où:
V est la vitesse d’écoulement,
D est une dimension linéaire caractéristique , (longueur parcourue du fluide; diamètre hydraulique, etc.)
ρ densité du fluide (kg / m 3 ),
μ viscosité dynamique (Pa.s),
ν viscosité cinématique ( m 2 / s); ν = μ / ρ.

Débit laminaire ou turbulent

Écoulement laminaire:

  • Re <2000
  • vitesse «faible»
  • Les particules fluides se déplacent en ligne droite
  • Les couches d’eau s’écoulent les unes sur les autres à différentes vitesses sans pratiquement aucun mélange entre les couches.
  • Le profil de vitesse d’écoulement pour un flux laminaire dans des tuyaux circulaires est de forme parabolique, avec un débit maximal au centre du tuyau et un débit minimal au niveau des parois des tuyaux.
  • La vitesse d’écoulement moyenne correspond à environ la moitié de la vitesse maximale.
  • Une analyse mathématique simple est possible.
  • Rare en pratique dans les systèmes d’eau .

Écoulement turbulent:

  • Re> 4000
  • ‘vitesse élevée
  • L’écoulement est caractérisé par le mouvement irrégulier des particules du fluide.
  • Le mouvement moyen est dans le sens de l’écoulement
  • Le profil de vitesse d’écoulement pour un écoulement turbulent est assez plat sur la section centrale d’un tuyau et tombe rapidement extrêmement près des parois.
  • La vitesse d’écoulement moyenne est approximativement égale à la vitesse au centre du tuyau.
  • L’analyse mathématique est très difficile.
  • Type d’écoulement le plus courant .

Régimes de nombre de Reynolds

régime d'écoulementÉcoulement laminaire. Pour des raisons pratiques, si le nombre de Reynolds est inférieur à 2000 , le flux est laminaire. Le nombre de Reynolds de transition accepté pour l’écoulement dans un tuyau circulaire est Re d, crit = 2300.

Flux de transition. Aux nombres de Reynolds entre environ 2000 et 4000, le débit est instable en raison du début de la turbulence. Ces flux sont parfois appelés flux de transition.

Écoulement turbulent. Si le nombre de Reynolds est supérieur à 3500 , l’écoulement est turbulent. La plupart des systèmes de fluides des installations nucléaires fonctionnent avec un écoulement turbulent.

Nombre de Reynolds et flux interne

Flux interne
Source: White Frank M., Fluid Mechanics, McGraw-Hill Education, 7e édition, février 2010, ISBN: 978-0077422417

La configuration de l’ écoulement interne (par exemple, l’écoulement dans une conduite) est une géométrie pratique pour les fluides de chauffage et de refroidissement utilisés dans les technologies de conversion d’énergie telles que les centrales nucléaires .

En général, ce régime d’écoulement est important en ingénierie, car les tuyaux circulaires peuvent résister à des pressions élevées et sont donc utilisés pour transporter des liquides. Les conduits non circulaires sont utilisés pour transporter des gaz à basse pression, tels que l’air dans les systèmes de refroidissement et de chauffage.

Pour le régime d’écoulement interne, une région d’entrée est typique. Dans cette région, un flux amont presque non visqueux converge et pénètre dans le tube. Pour caractériser cette région, la longueur d’entrée hydrodynamique est introduite et est approximativement égale à:

longueur d'entrée hydrodynamique

La longueur maximale d’entrée hydrodynamique, à Re D, crit  = 2300 ( flux laminaire ), est L e = 138d, où D est le diamètre du tuyau. Il s’agit de la plus longue durée de développement possible. Dans un écoulement turbulent , les couches limites croissent plus rapidement et L e  est relativement plus courte. Pour tout problème donné, e  / D doit être vérifié pour voir si L e  est négligeable par rapport à la longueur du tuyau. À une distance finie de l’entrée, les effets d’entrée peuvent être négligés, car les couches limites fusionnent et le noyau non visqueux disparaît. L’écoulement du tube est alors complètement développé .

Diamètre hydraulique

La dimension caractéristique d’une conduite circulaire étant un diamètre ordinaire D et en particulier les réacteurs contenant des canaux non circulaires, la dimension caractéristique doit être généralisée.

À ces fins, le nombre de Reynolds est défini comme:

Nombre de Reynolds - diamètre hydraulique

où D h est le diamètre hydraulique :

Diamètre hydraulique - équation

Diamètre hydrauliqueLe diamètre hydraulique, D h , est un terme couramment utilisé pour gérer le débit dans des tubes et canaux non circulaires . Le diamètre hydraulique transforme les conduits non circulaires en tuyaux de diamètre équivalent . En utilisant ce terme, on peut calculer beaucoup de choses de la même manière que pour un tube rond. Dans cette équation, A est l’ aire de la section transversale et P est le périmètre mouillé de la section transversale. Le périmètre mouillé d’un canal est le périmètre total de toutes les parois du canal qui sont en contact avec le flux.

Nombre de Reynolds et flux externe

Le nombre de Reynolds décrit également naturellement le flux externe . En général, lorsqu’un fluide s’écoule sur une surface stationnaire , par exemple la plaque plate, le lit d’une rivière ou la paroi d’un tuyau, le fluide touchant la surface est immobilisé par la contrainte de cisaillement sur la paroi. La région dans laquelle l’écoulement s’ajuste de la vitesse nulle à la paroi à un maximum dans le courant principal de l’écoulement est appelée la couche limite .

Les caractéristiques de base de toutes les couches limites laminaires et turbulentes sont présentées dans le flux de développement sur une plaque plate. Les étapes de la formation de la couche limite sont illustrées dans la figure ci-dessous:

Couche limite sur plaque plate

Les couches limites peuvent être laminaires ou turbulentes selon la valeur du nombre de Reynolds .

Ici aussi, le nombre de Reynolds représente le rapport des forces d’inertie aux forces visqueuses et est un paramètre pratique pour prédire si une condition d’écoulement sera laminaire ou turbulente. Il est défini comme:

Le numéro de Reynold

dans laquelle V est la vitesse d’écoulement moyenne, D une dimension linéaire caractéristique, ρ la densité du fluide, μ la viscosité dynamique et ν la viscosité cinématique.

Pour les nombres de Reynolds inférieurs , la couche limite est laminaire et la vitesse du flux change uniformément lorsque l’on s’éloigne du mur, comme indiqué sur le côté gauche de la figure. À mesure que le nombre de Reynolds augmente (avec x), l’ écoulement devient instable et, enfin, pour les nombres de Reynolds plus élevés, la couche limite est turbulente et la vitesse dans le sens du flux est caractérisée par des flux tourbillonnants instables (changeant avec le temps) à l’intérieur de la couche limite.

La transition de la couche limite laminaire à la couche turbulente se produit lorsque le nombre de Reynolds à x dépasse Re x ~ 500 000 . La transition peut se produire plus tôt, mais elle dépend surtout de la rugosité de la surface . La couche limite turbulente s’épaissit plus rapidement que la couche limite laminaire en raison de l’augmentation de la contrainte de cisaillement à la surface du corps.

Le flux externe réagit au bord de la couche limite comme il le ferait à la surface physique d’un objet. Ainsi, la couche limite donne à tout objet une forme «efficace» qui est généralement légèrement différente de la forme physique. Nous définissons l’ épaisseur de la couche limite comme la distance entre le mur et le point où la vitesse est de 99% de la vitesse du «flux libre».

Pour rendre les choses plus confuses, la couche limite peut se décoller ou se «séparer» du corps et créer une forme efficace très différente de la forme physique. Cela se produit parce que le flux dans la frontière a une énergie très faible (par rapport au flux libre) et est plus facilement entraîné par des changements de pression.

Voir aussi: Épaisseur de la couche limite

Voir aussi: Tube en flux croisé – flux externe

Référence spéciale: Schlichting Herrmann, Gersten Klaus. Théorie des couches limites, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2000, ISBN: 978-3-540-66270-9

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Cet article est basé sur la traduction automatique de l’article original en anglais. Pour plus d’informations, voir l’article en anglais. Pouvez vous nous aider Si vous souhaitez corriger la traduction, envoyez-la à l’adresse: translations@nuclear-power.com ou remplissez le formulaire de traduction en ligne. Nous apprécions votre aide, nous mettrons à jour la traduction le plus rapidement possible. Merci

Qu’est-ce qu’un écoulement de fluide à deux phases – Définition

Par définition, un flux en deux phases est un flux interactif de deux phases distinctes avec des interfaces communes dans, par exemple, un conduit. Débit de fluide à deux phases – Débit de gaz à liquide. Génie thermique

Débit de fluide diphasique

écoulement de fluide diphasiquePar définition, le flux polyphasique est le flux interactif de deux ou plusieurs phases distinctes avec des interfaces communes dans, disons, un conduit. Chaque phase, représentant une fraction volumique (ou fraction massique) de matière solide, liquide ou gazeuse, a ses propres propriétés, vitesse et température .

Un flux polyphasique peut être un flux simultané de:

  • Matériaux avec différents états ou phases (par exemple mélange eau-vapeur).
  • Matériaux ayant des propriétés chimiques différentes mais dans le même état ou la même phase (par exemple, des gouttelettes d’huile dans l’eau).

Il existe de nombreuses combinaisons dans les processus industriels, mais la plus courante étant l’écoulement simultané de vapeur et d’eau liquide (comme cela se produit dans les générateurs de vapeur et les condenseurs ). Dans l’ingénierie des réacteurs, de nombreuses études ont été menées sur la nature des écoulements diphasiques en cas d’accident de perte de liquide de refroidissement ( LOCA ), qui est un accident important pour la sûreté des réacteurs et dans toutes les analyses thermo-hydrauliques ( Analyses DNBR ).

Caractéristiques de l’écoulement de fluide diphasique

Tous les problèmes d’écoulement diphasique ont des caractéristiques qui sont typiquement différentes de celles trouvées dans les problèmes monophasés.

  • Dans le cas de la vapeur et de l’eau liquide, la densité des deux phases diffère d’un facteur d’environ 1000 . Par conséquent, l’influence de la force du corps gravitationnel sur les écoulements polyphasiques est beaucoup plus importante que dans le cas d’écoulements monophasés.
  • La vitesse du son change considérablement pour les matériaux subissant un changement de phase et peut être différente de plusieurs ordres de grandeur. Cela influe considérablement sur l’ écoulement à travers un orifice .
  • La concentration relative des différentes phases est généralement un paramètre dépendant d’une grande importance dans les écoulements polyphasiques, alors qu’il s’agit d’un paramètre sans conséquence dans les écoulements monophasés.
  • Le changement de phase signifie que les chutes de pression induites par le flux peuvent entraîner un changement de phase supplémentaire (par exemple, l’eau peut s’évaporer à travers un orifice) augmentant le volume relatif du milieu gazeux compressible et augmentant les vitesses d’efflux, contrairement au flux incompressible monophasé où la diminution d’un l’orifice diminuerait les vitesses d’efflux.
  • La distribution spatiale des différentes phases dans le canal d’écoulement affecte fortement le comportement de l’écoulement.
  • Il existe de nombreux types d’instabilités dans le flux polyphasique.

Paramètres de base du débit de fluide diphasique

Dans cette section, nous considérerons le flux simultané de gaz (ou vapeur) et d’eau liquide (tel que celui rencontré dans les générateurs de vapeur et les condenseurs) dans un flux simultané à travers un conduit avec une section transversale A. Les indices «v» et «ℓ» indiquent la phase vapeur et la phase liquide , respectivement. Les paramètres fondamentaux qui caractérisent ce flux sont:

  •  Fraction nulle
  • Qualité statique
  • Qualité du débit
  • Densité du mélange
  • Rapport de glissement – Rapport de vitesse
  • Vitesse superficielle

Modèles d’écoulement – Écoulement diphasique

L’un des aspects les plus difficiles du traitement d’un écoulement diphasique ou polyphasique est le fait qu’il peut prendre de nombreuses formes différentes . Les distributions spatiales et les vitesses des phases liquide et vapeur dans le canal d’écoulement sont des aspects très importants dans de nombreuses branches d’ingénierie. Les chutes de pression et également les coefficients de transfert de chaleur dépendent fortement de la structure locale du flux et sont donc importants dans l’ingénierie des réacteurs nucléaires . Les structures d’écoulement observées sont définies comme des schémas d’écoulement diphasiques et ceux-ci ont des caractéristiques d’identification particulières. Ces différents schémas de flux ont étéclassés selon la direction de l’écoulement par rapport à l’accélération gravitationnelle.

  • Modèles d’écoulement dans des tubes verticaux
  • Modèles d’écoulement dans des tubes horizontaux
schémas d'écoulement
Tableau des schémas d’écoulement de base dans les tubes verticaux.

Les principaux régimes d’écoulement dans les tubes verticaux sont indiqués dans le tableau. Il faut noter que les valeurs de la qualité et du débit dépendent du fluide et de la pression. Dans les tubes horizontaux , il peut également y avoir un écoulement stratifié (surtout à faible débit), auquel les deux phases se séparent sous l’effet de la gravité.

Pour un débit de liquide constant, la phase vapeur / gaz a tendance à se répartir sous forme de petites bulles à faibles débits de vapeur. L’augmentation de la fraction de vide entraîne l’ agglomération des bulles dans des bouchons et des bouchons plus gros . Une agglomération supplémentaire de bouchons, provoquée par une augmentation supplémentaire de la fraction de vide, provoque la séparation des phases en motifs annulaires dans lesquels le liquide se concentre à la paroi du canal et la vapeur s’écoule dans le noyau central du canal vertical.

Pour le canal horizontal , la force gravitationnelle a tendance à drainer l’anneau liquide vers le bas du canal, ce qui entraîne un écoulement stratifié . La force gravitationnelle agissant sur la phase liquide peut être surmontée par des forces cinétiques à des débits élevés, provoquant le retour d’écoulements stratifiés en écoulements annulaires. A des débits très élevés , le film annulaire est aminci par le cisaillement du noyau de vapeur et tout le liquide est entraîné sous forme de gouttelettes en phase vapeur. Ce régime d’écoulement est généralement connu sous le nom d’ écoulement de brouillard .

Voir aussi:  Engineering Data Book III, Thome, JR, Wolverine Tube Inc, 2004.

Modèles d’écoulement – Tubes verticaux

  • Flux pétillant
  • Débit de limace
  • Flux de désabonnement
  • Écoulement annulaire
  • Flux de brume
Bubbly - Slug - Churn - Annular - Mist - Flow
Esquisses de régimes d’écoulement pour un écoulement diphasique dans une conduite verticale. Source: Weisman, J. Modèles d’écoulement diphasique. Chapitre 15 du Handbook of Fluids in Motion, Cheremisinoff NP, Gupta R. 1983, Ann Arbor Science Publishers.
schémas d'écoulement - écoulement vertical - Hewitt
La carte du régime d’écoulement vertical de Hewitt et Roberts (1969) pour l’écoulement dans un tube de 3,2 cm de diamètre, validée pour l’écoulement air / eau à pression atmosphérique et l’écoulement vapeur / eau à haute pression. Source: Brennen, CE, Fundamentals of Multiphase Flows, Cambridge University Press, 2005, ISBN 0521 848040

Modèles d’écoulement – Tubes horizontaux

  • Flux pétillant
  • Écoulement stratifié
  • Débit en prise et débit en boucle
  • Écoulement annulaire
  • Flux de brume
bulle, bouchon, limace, annulaire, brouillard, flux stratifié ou ondulé
Esquisses de régimes d’écoulement pour un écoulement diphasique dans une conduite horizontale. Source: Weisman, J. Modèles d’écoulement diphasique. Chapitre 15 du Handbook of Fluids in Motion, Cheremisinoff NP, Gupta R. 1983, Ann Arbor Science Publishers.
schémas d'écoulement - écoulement horizontal
Une carte de régime d’écoulement pour l’écoulement d’un mélange air / eau dans un tuyau horizontal de 2,5 cm de diamètre à 25 ° C et 1 bar. Les lignes et les points pleins sont des observations expérimentales des conditions de transition tandis que les zones hachurées représentent des prédictions théoriques. Source: Mandhane, JM, Gregory, GA et Aziz, KA (1974). Une carte de configuration d’écoulement pour l’écoulement gaz-liquide dans des tuyaux horizontaux. Int. Écoulement multiphasique

Modèles d’écoulement pendant l’évaporation

La section précédente décrit divers modèles de flux et décrit brièvement leur comportement. Ces schémas d’écoulement étaient considérés comme à fraction de vide constante et à vitesses superficielles constantes . Mais il existe de nombreuses applications industrielles qui doivent prendre en compte une fraction de vide variable et des vitesses superficielles variables. Dans l’industrie nucléaire, nous devons gérer les schémas d’écoulement lors de l’ évaporation (c’est-à-dire lors des changements dans la fraction de vide ).

Une connaissance détaillée des changements de phase et du comportement de l’écoulement pendant le changement de phase est l’une des considérations les plus importantes dans la conception d’un réacteur nucléaire , en particulier dans les applications suivantes:

  • évaporation convective - canal verticalBWR – Réacteurs à eau bouillante
    • Un réacteur à eau bouillante est refroidi et modéré par de l’eau comme un PWR, mais à une pression inférieure (7 MPa), ce qui permet à l’eau de bouillir à l’intérieur de l’ enceinte sous pression produisant la vapeur qui fait fonctionner les turbines. L’évaporation se produit donc directement dans les canaux de combustible. Par conséquent, les REB sont le meilleur exemple pour cette zone, car l’évaporation du liquide de refroidissement se produit en fonctionnement normal et c’est un phénomène très souhaité.
    • Dans les REB, il existe un phénomène de la plus haute importance pour la sûreté des réacteurs . Ce phénomène est connu sous le nom de «tarissement» et il est directement associé aux changements dans le schéma d’écoulement pendant l’évaporation. À la normale, la surface du carburant est efficacement refroidie par ébullition du liquide de refroidissement. Cependant, lorsque le flux de chaleur dépasse une valeur critique (CHF – flux de chaleur critique), le schéma d’écoulement peut atteindre les conditions de séchage (une mince couche de liquide disparaît). Le transfert de chaleur de la surface du carburant vers le liquide de refroidissement est détérioré, avec pour résultat une température de surface du carburant considérablement augmentée .
  • PWR – Réacteurs à eau sous pression
    • Dans les REP en fonctionnement normal, le débit est considéré comme monophasé. Mais de nombreuses études ont été menées sur la nature des écoulements diphasiques en cas de transitoires et d’accidents (tels que l’ accident de perte de liquide de refroidissement – LOCA ou déclenchement de RCP ), qui sont importants pour la sûreté des réacteurs et doit être prouvée et déclarée dans le rapport d’analyse de la sécurité (SAR). Dans le cas des REP, le phénomène problématique n’est pas l’assèchement. Dans le cas des REP, le flux critique est un flux annulaire inversé . Cet écoulement se produit lorsqu’une surface de revêtement de barre de combustible est surchauffée, ce qui provoque la formation d’une couche de vapeur locale, entraînant une réduction spectaculaire de la capacité de transfert de chaleur. Ce phénomène est connu comme le départ de l’ébullition nucléée – DNB . La différence de régime d’écoulement entre l’écoulement post-dessèchement et l’écoulement post-DNB est illustrée sur la figure.
    • Dans les REP, l’évaporation se produit également dans les générateurs de vapeur. Les générateurs de vapeur sont des échangeurs de chaleur utilisés pour convertir l’ eau d’alimentation en vapeur à partir de la chaleur produite dans un cœur de réacteur nucléaire . La vapeur produite entraîne la turbine.

évaporation convective - canal horizontal

Chute de pression en deux phases

Dans l’analyse pratique des systèmes de tuyauterie, la quantité la plus importante est la perte de pression due aux effets visqueux sur toute la longueur du système, ainsi que les pertes de pression supplémentaires résultant d’autres équipements technologiques comme les vannes, les coudes, les entrées de tuyauterie, les raccords et les tés. .

Contrairement aux chutes de pression monophasées, le calcul et la prévision des chutes de pression biphasées est un problème beaucoup plus sophistiqué et les principales méthodes diffèrent considérablement. Les données expérimentales indiquent que la chute de pression de frottement dans l’écoulement diphasique (par exemple dans un canal d’ébullition) est sensiblement plus élevée que celle pour un écoulement monophasé avec la même longueur et le même débit massique. Les explications à cela comprennent une rugosité de surface accrue apparente due à la formation de bulles sur la surface chauffée et des vitesses d’écoulement accrues.

Chute de pression – Modèle d’écoulement homogène

L’approche la plus simple pour prédire les écoulements diphasiques consiste à traiter l’intégralité du débit diphasique comme s’il était entièrement liquide , sauf s’il s’écoule à la vitesse du mélange diphasique . Les chutes de pression diphasiques pour les débits à l’intérieur des tuyaux et des canaux sont la somme de trois contributions:

La perte de charge totale du flux diphasique est alors:

∆p total = ∆p statique + ∆p maman + ∆p frict

Les pertes de charge statiques et momentanées peuvent être calculées de la même manière que dans le cas d’un écoulement monophasé et en utilisant la densité de mélange homogène :

densité de mélange - définition

Le terme le plus problématique est la chute de pression de frottement ∆p frict , qui est basée sur la chute de pression monophasée multipliée par le facteur de correction biphasé ( multiplicateur de frottement homogène – Φ lo 2 ). Par cette approche, la composante frictionnelle de la chute de pression diphasique est:

chute de pression diphasique - équation

où (dP / dz) 2f  est le gradient de pression de frottement d’un écoulement diphasique et (dP / dz) 1f  est le gradient de pression de frottement si tout le débit (du débit massique total G) s’écoule sous forme liquide dans le canal ( pression monophasée standard goutte ). Le terme Φ lo  est le multiplicateur de frottement homogène , qui peut être dérivé selon différentes méthodes. L’un des multiplicateurs possibles est égal à Φ lo 2  = (1 + x g (ρ l / ρ g – 1))  et donc:
chute de pression biphasée - équation2

Comme on peut le voir, ce modèle simple suggère que les pertes par frottement diphasiques sont en tout état de cause supérieures aux pertes par frottement monophasées. Le multiplicateur de frottement homogène augmente rapidement avec la qualité du flux .

Les qualités d’écoulement typiques dans les générateurs de vapeur et les noyaux BWR sont de l’ordre de 10 à 20%. La perte de frottement biphasique correspondante serait alors 2 à 4 fois supérieure à celle d’un système monophasé équivalent.

Instabilité des flux

En général, un certain nombre d’instabilités peuvent survenir dans les systèmes à deux phases . En génie nucléaire , l’étude de la stabilité de l’écoulement polyphasique est importante dans la gestion des accidents des réacteurs à eau sous pression et de la plus haute importance dans des conditions normales / anormales dans les réacteurs à eau bouillante .

Dans les REP en fonctionnement normal, le débit est considéré comme monophasé. Mais de nombreuses études ont été menées sur l’instabilité de l’écoulement en cas de transitoires et d’accidents (tels que l’ accident de perte de liquide de refroidissement – LOCA ou déclenchement de RCP avec présence de circulation naturelle ) , dans lesquels des oscillations ou des inversions de débit peuvent se produire.

Les oscillations d’écoulement sont des variations d’écoulement provoquées en particulier par des formations de vides et elles ne sont pas souhaitables pour plusieurs raisons.

  • Les oscillations de débit peuvent provoquer des contraintes mécaniques indésirables sur les composants du carburant (comme les grilles d’espacement). Cela peut entraîner une défaillance de ces composants en raison de la fatigue.
  • Les oscillations de flux affectent les caractéristiques locales de transfert de chaleur . Dans le cas des REP , le problème de sécurité critique est nommé DNB ( départ de l’ébullition nucléée ), ce qui provoque la formation d’une couche de vapeur locale , entraînant une réduction spectaculaire de la capacité de transfert de chaleur. Des tests ont montré que le flux de chaleur critique (CHF) requis pour s’écarter de l’ébullition nucléée (DNB) peut être réduit jusqu’à 40% lorsque le flux oscille. Cela réduit considérablement la limite thermique et la densité de puissance le long du cœur du réacteur .

Les oscillations de débit peuvent être un problème lors des opérations de circulation naturelle (par exemple après le déclenchement de tous les RCP). La circulation naturelle est une caractéristique de conception importante et un mécanisme ultime d’évacuation de la chaleur. En raison des faibles débits, une ébullition du liquide de refroidissement peut se produire et cela peut former des oscillations de débit. Pendant la circulation naturelle, les bulles de vapeur formées lors d’une oscillation du débit peuvent avoir un effet suffisant pour provoquer une inversion complète du débit dans le canal affecté.

BWR - instabilité des flux
Région d’instabilité dans la carte de flux de puissance pour le réacteur BWR. Source: Francesco D’Auria, The BWR Stability Issue, THICKET 2008 – Session IX – Paper 26

Dans les REB, l’ évaporation du liquide de refroidissement se produit en fonctionnement normal et c’est un phénomène très souhaité. D’un autre côté, l’évaporation convective dans le canal de carburant fait que le schéma d’écoulement change le long du canal de carburant en fonction du débit et de la puissance thermique. Il a été constaté qu’il existe des régions d’instabilité , dans lesquelles des instabilités d’écoulement diphasiques peuvent survenir. Ces instabilités d’écoulement diphasique ne sont pas souhaitables car elles peuvent entraîner des vibrations mécaniques et des problèmes de contrôle du système, affecter le fonctionnement normal, restreindre les paramètres de fonctionnement et influencer la sécurité du réacteur. Il faut noter que la stabilité de l’écoulement dans les REB n’est pas un problème majeur depuis de nombreuses années, car c’est un phénomène bien connu.

En général, il existe de nombreuses classifications des instabilités de flux. La classification suivante est basée sur les mécanismes fondamentaux thermo-hydrauliques:

Les instabilités statiques sont:

  • Excursion d’écoulement
  • Crise bouillonnante
  • Types de relaxation, y compris la transition du schéma d’écoulement

Les instabilités dynamiques sont:

  • Oscillations des ondes de densité
  • Oscillations de chute de pression
  • Oscillations thermiques .

La bonne caractérisation des instabilités et les conditions de leur apparition peuvent déterminer un fonctionnement optimal et sûr des systèmes. L’explication la plus acceptée pour l’apparition du type dynamique d’instabilités appelé oscillations d’onde de densité (DWO) .

L’onde de densité provoque un retard dans la chute de pression locale qui est causé par une modification du débit d’entrée. En raison de ce retard, la somme de toutes les chutes de pression locales peut entraîner une chute totale déphasée par rapport au débit d’entrée. Le mécanisme de base à l’origine des instabilités d’écoulement dans les REB est l’onde de densité. Les périodes caractéristiques de ces oscillations sont associées au temps nécessaire à une particule fluide pour parcourir toute la boucle.

Types d’instabilités observées dans les REB

  • Instabilités du système de contrôle. Les instabilités du système de contrôle sont liées à l’action des contrôleurs qui, à travers des actionneurs, tentent de réguler certaines des variables du réacteur.
  • Instabilités de flux de canaux. Ce type d’instabilité peut être décrit comme suit: Supposons une perturbation de l’écoulement. Cette perturbation provoque une «vague» de vides se déplaçant vers le haut à travers le canal, produisant une chute de pression en deux phases (la chute de pression augmente considérablement à mesure que la fraction de vide augmente) qui est retardée par rapport à la perturbation d’origine. Une augmentation de la chute de pression du canal (onde de densité) peut entraîner une instabilité du débit.
  • Instabilité neutronique-thermohydraulique couplée. Le type d’instabilités dominant dans les REB commerciaux est l’instabilité couplée neutronique-thermohydraulique (également connue sous le nom d’ instabilité de réactivité ). La production d’électricité dans les REB est directement liée au flux de neutrons du combustible , qui est fortement lié à la fraction de vide moyenne dans les canaux centraux. Cet effet est connu sous le nom de rétroaction de réactivité . La rétroaction de réactivité causée par des changements dans la fraction de vide ( coefficient de vide ) est retardée lorsque les vides se déplacent vers le haut à travers le canal de carburant. Dans certains cas, le retard peut être suffisamment long et le retour d’information nulpeut être suffisamment solide pour que la configuration du réacteur devienne instable. Dans ce cas, le flux neutronique peut osciller.

Références spéciales:

  • Francesco D’Auria, The BWR Stability Issue, THICKET 2008 – Session IX – Paper 26
  • Dag Strømsvåg, Mécanismes fondamentaux des oscillations des ondes de densité et effet du sous-refroidissement, NTNU, 2011.
  • J. March-Leuba, Instabilité de la densité des ondes dans les réacteurs à eau bouillante. NUREG / CR-6003, ORNL, 1992.

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Qu’est-ce que la perte de charge mineure – Pertes locales – Définition

Les pertes de charge mineures sont des pertes de charge locales ou des chutes de pression de divers éléments hydrauliques tels que des coudes, des raccords, des vannes, des coudes, des tés ou des canaux chauffants. Génie thermique

 

Perte de tête mineure – Pertes locales

Dans l’industrie, tout système de tuyauterie contient différents éléments technologiques tels que des coudes, des raccords, des vannes ou des canaux chauffants . Ces composants supplémentaires augmentent la perte de charge globale du système. Ces pertes sont généralement appelées pertes mineures , bien qu’elles représentent souvent une part importante de la perte de charge . Pour les systèmes de tuyaux relativement courts, avec un nombre relativement important de coudes et de raccords, les pertes mineures peuvent facilement dépasser les pertes majeures (en particulier avec une vanne partiellement fermée qui peut provoquer une perte de pression plus importante qu’un long tuyau, en fait quand une vanne est fermée ou presque fermée, la perte mineure est infinie).

Les pertes mineures sont généralement mesurées expérimentalement. Les données, en particulier pour les vannes, dépendent quelque peu de la conception particulière du fabricant.

Tout comme le frottement des tuyaux, les pertes mineures sont à peu près proportionnelles au carré du débit et peuvent donc être facilement intégrées dans l’ équation de Darcy-Weisbach . K est la somme de tous les coefficients de perte dans la longueur du tuyau, chacun contribuant à la perte de charge globale.perte de tête mineure - équation

Il existe plusieurs méthodes pour calculer la perte de charge des raccords, des coudes et des coudes. Dans la section suivante, ces méthodes sont résumées dans l’ordre du plus simple au plus sophistiqué. 

 

Méthode de longueur équivalente

La méthode de longueur équivalente ( méthode e / D ) permet à l’utilisateur de décrire la perte de pression à travers un coude ou un raccord comme une longueur de tuyau droit .

Cette méthode est basée sur l’observation que les pertes importantes sont également proportionnelles à la tête de vitesse ( 2 / 2g ).

méthode de longueur équivalente

La méthode L e / D augmente simplement le facteur multiplicateur dans l’ équation de Darcy-Weisbach (c’est-à-dire ƒ.L / D ) par une longueur de tuyau droit (c’est-à-dire e ) qui donnerait lieu à une perte de pression équivalente aux pertes dans le raccords, d’où le nom de «longueur équivalente». Le facteur multiplicateur devient donc ƒ (L + L e ) / D et l’équation pour le calcul de la perte de charge du système est donc:

longueur équivalente

tableau des longueurs équivalentes - soupapes, coudes, coudesTous les raccords, coudes, tés peuvent être additionnés pour faire une longueur totale et la perte de pression calculée à partir de cette longueur. Il a été constaté expérimentalement que si les longueurs équivalentes pour une gamme de tailles d’un type donné de raccord sont divisées par les diamètres des raccords, alors un rapport presque constant (c’est-à-dire L e / D) est obtenu. L’avantage de la méthode de longueur équivalente est qu’une seule valeur de données est suffisante pour couvrir toutes les tailles de cet ajustement et donc la tabulation de données de longueur équivalente est relativement facile. Certaines longueurs équivalentes typiques sont indiquées dans le tableau.Voir aussi: Logiciel de dimensionnement de tuyaux et de calcul de débit

Méthode du coefficient de résistance – Méthode K – Tête excédentaire

tableau des valeurs K - soupapes, coudes, coudesLa méthode de coefficient de résistance (ou K-procédé, ou procédé de tête en excès) permet à l’utilisateur de décrire la chute de pression à travers un coude ou un raccord par un numéro de dimension – K . Ce nombre sans dimension (K) peut être incorporé dans l’ équation de Darcy-Weisbach d’une manière très similaire à la méthode de la longueur équivalente. Au lieu de données de longueur équivalente dans ce cas, le nombre sans dimension (K) est utilisé pour caractériser le raccord sans le lier aux propriétés du tuyau.

La valeur K représente le multiple des têtes de vitesse qui seront perdues par le fluide traversant le raccord. L’équation de calcul de la perte de charge de l’élément hydraulique est donc:
Méthode de la valeur KPar conséquent, l’équation pour le calcul de la perte de pression de l’ensemble du système hydraulique est:
Valeur K - perte de charge
La valeur K peut être caractérisée pour différents régimes d’écoulement (c’est-à-dire selon le nombre de Reynolds ), ce qui la rend plus précise que la méthode de la longueur équivalente.

Il existe plusieurs autres méthodes pour calculer la perte de pression des raccords, ces méthodes sont plus sophistiquées et également plus précises :

  • Méthode 2K . La méthode 2K est une technique développée par Hooper BW pour prédire la perte de charge dans un coude, une valve ou un té. La méthode 2K améliore la méthode de la tête excédentaire en caractérisant la variation de la perte de pression due à la variation du nombre de Reynolds . La méthode 2-K est avantageuse par rapport à une autre méthode, en particulier dans la région d’écoulement laminaire .Méthode 2K
  • Méthode 3K . La méthode 3K (par Ron Darby en 1999) améliore encore la précision du calcul de la perte de pression en caractérisant également le changement des proportions géométriques d’un raccord à mesure que sa taille change. Cela rend la méthode 3K particulièrement précise pour un système avec de grands raccords .Méthode 3K

Sommaire:

  • La perte de charge du système hydraulique est divisée en deux catégories principales :
    • Perte de charge importante – due au frottement dans des tuyaux droits
    • Perte de charge mineure – due à des composants comme des valves, des coudes…
  • Une forme spéciale de l’équation de Darcy peut être utilisée pour calculer les pertes mineures .
  • Les pertes mineures sont à peu près proportionnelle à la place du débit et par conséquent , ils peuvent être intégrés facilement dans l’équation de Darcy-Weisbach par coefficient de résistance K .
  • En tant que perte de pression locale, l’accélération du fluide dans un canal chauffé peut également être envisagée.

Il existe les méthodes suivantes:

  • Méthode de longueur équivalente
  • Méthode K (méthode du coefficient de résistance)
  • Méthode 2K
  • Méthode 3K

Pourquoi la perte de tête est très importante?

Comme on peut le voir sur la photo, la perte de charge est une caractéristique clé de tout système hydraulique. Dans les systèmes dans lesquels un certain débit doit être maintenu (par exemple pour assurer un refroidissement ou un transfert de chaleur suffisant à partir d’un cœur de réacteur ), l’équilibre de la perte de charge et de la  tête ajoutée par une pompe détermine le débit à travers le système.

Diagramme caractéristique QH de la pompe centrifuge et de la canalisation
Diagramme caractéristique QH de la pompe centrifuge et de la canalisation

Écoulement à travers le coude – perte mineure

écoulement à travers le coude - perte mineureL’écoulement à travers les coudes est assez compliqué . En fait, tout tuyau courbe induit toujours une perte plus importante que le simple tuyau droit. Cela est dû au fait que dans un tuyau courbe, le flux se sépare sur les parois courbes. Pour un très petit rayon de courbure, le flux entrant est même incapable de faire le virage au coude, donc le flux se sépare et stagne en partie contre le côté opposé du tuyau. Dans cette partie du virage, la pression augmente (en raison du principe de Bernoulli ) et la vitesse diminue.

Une caractéristique intéressante des valeurs K pour les coudes est leur comportement non monotone lorsque le rapport R / D augmente. Les valeurs K incluent à la fois les pertes locales et les pertes par frottement du tuyau. Les pertes locales, causées par la séparation des flux et le flux secondaire, diminuent avec R / D, tandis que les pertes par frottement augmentent car la longueur de pliage augmente. Par conséquent, il y a un minimum dans la valeur K près du rayon de courbure normalisé de 3.

Accélération fluide

Graphique - densité - eau - température
Densité de l’eau liquide (comprimée) en fonction de la température de l’eau

Il est connu que lorsque le fluide est chauffé (par exemple dans un canal de carburant), le fluide se dilate (modification de la densité du fluide) et augmente sa vitesse d’écoulement en raison de l’ équation de continuité (la section transversale du canal reste la même). Pour un volume de contrôle qui a une seule entrée et une seule sortie, cette équation indique que, pour un débit en régime permanent, le débit massique dans le volume doit être égal au débit massique sortant.

accélération du fluide - chute de pression
Masse entrant par unité de temps = Masse sortant par unité de temps

Voir aussi: Propriétés de l’eau sous-refroidie

Un autre principe très important stipule ( le principe de Bernoulli ) que l’ augmentation de la vitesse d’écoulement dans le canal chauffé provoque l’ abaissement de la pression du fluide . Cette perte de pression peut également être considérée comme une perte de pression locale et peut être calculée à partir de l’équation suivante:
accélération fluide - équation

Débit à travers un cœur de réacteur – accélération du liquide de refroidissement

Il s’agit d’un exemple illustratif, les données suivantes ne correspondent à aucune conception de réacteur.

Équation de continuité - Débits dans le réacteur
Exemple de débits dans un réacteur. Il s’agit d’un exemple illustratif, les données ne représentent aucune conception de réacteur.

Les réacteurs à eau sous pression sont refroidis et modérés par de l’eau liquide à haute pression (par exemple 16 MPa). À cette pression, l’eau bout à environ 350 ° C (662 ° F). La température d’entrée de l’eau est d’environ 290 ° C (⍴ ~ 720 kg / m 3 ). L’eau (liquide de refroidissement) est chauffée dans le cœur du réacteur à environ 325 ° C (65 ~ 654 kg / m 3 ) lorsque l’eau s’écoule à travers le cœur.

Le circuit primaire des REP typiques est divisé en 4 boucles indépendantes (diamètre de la tuyauterie ~ 700 mm), chaque boucle comprend un générateur de vapeur et une pompe de refroidissement principale . À l’intérieur de la cuve du réacteur (RPV), le liquide de refroidissement descend d’abord à l’extérieur du cœur du réacteur (à travers le tuyau de descente). Depuis le fond de l’enceinte sous pression, le flux est inversé à travers le cœur, où la température du liquide de refroidissement augmente lors de son passage à travers les crayons combustibles et les assemblages formés par eux.

Calculer:

  • Perte de pression due à l’ accélération du liquide de refroidissement dans un canal de carburant isolé

quand

  • la vitesse d’écoulement à l’ entrée du canal est égale à 5,17 m / s
  • la vitesse d’écoulement de sortie du canal est égale à 5,69 m / s

Solution:

La perte de charge due à l’accélération du liquide de refroidissement dans un canal de carburant isolé est alors:

accélération du liquide de refroidissement - exemple

Ce fait a des conséquences importantes. En raison de la puissance relative différente des assemblages combustibles dans un cœur, ces assemblages combustibles ont une résistance hydraulique différente , ce qui peut induire un écoulement latéral local du liquide de refroidissement primaire et cela doit être pris en compte dans les calculs thermo-hydrauliques.

 

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Qu’est-ce qu’un diagramme Moody – Définition

Le diagramme de Moody (également appelé graphique de Moody) est un graphique sous forme non dimensionnelle qui relie le facteur de friction de Darcy, le nombre de Reynolds et la rugosité relative. Génie thermique

Diagramme Moody

Le diagramme de Moody (également connu sous le nom de diagramme de Moody) est un graphique sous forme non dimensionnelle qui relie le facteur de friction de Darcy , le nombre de Reynolds et la rugosité relative pour un écoulement pleinement développé dans un tuyau circulaire.

Diagramme Moody
Source: Donebythesecondlaw sur Wikipédia en anglais, CC BY-SA 3.0,
https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=4681366

Exemple: Diagramme Moody

Déterminer le facteur de friction (f D ) pour l’écoulement de fluide dans un tuyau de 700 mm de diamètre qui a le nombre de Reynolds de 50 000 000 et une rugosité absolue de 0,035 mm.

Solution:

La rugosité relative est égale à ε = 0,035 / 700 = 5 x 10 -5 . En utilisant le diagramme de Moody, un nombre de Reynolds de 50 000 000 coupe la courbe correspondant à une rugosité relative de 5 x 10 -5 à un facteur de friction de 0,011 .

Tableau de mauvaise humeur, diagramme de mauvaise humeur
Exemple: graphique Moody.
Source: Donebythesecondlaw sur Wikipédia en anglais, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=4681366

Facteur de friction de Darcy pour divers régimes d’écoulement

La classification la plus courante des régimes d’écoulement est basée sur le nombre de Reynolds. Le nombre de Reynolds est un nombre sans dimension comprenant les caractéristiques physiques de l’écoulement et il détermine si l’écoulement est laminaire ou turbulent . Un nombre de Reynolds croissant indique une turbulence croissante de l’écoulement. Comme le montre le graphique de Moody, le facteur de friction de Darcy dépend également fortement du régime d’écoulement (c’est-à-dire du nombre de Reynolds).

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Qu’est-ce qu’une pompe centrifuge? Définition

Les pompes centrifuges sont des dispositifs utilisés pour transporter des fluides par conversion de l’énergie cinétique de rotation en énergie hydrodynamique. Pompes centrifuges

Pompes centrifuges

Les pompes centrifuges sont des appareils qui sont utilisés pour transporter des fluides par la conversion de l’ énergie cinétique de rotation à l’ énergie hydrodynamique de l’écoulement de fluide. L’énergie de rotation provient généralement d’un moteur électrique ou d’ une turbine à vapeur (dans le cas de pompes d’alimentation en eau actionnées par une turbine). Les pompes centrifuges sont utilisées dans plus d’applications industrielles que tout autre type de pompe. La pompe centrifuge la plus courante est la pompe à volute.

Comment ça marche?

Dans la volute de la pompe, le fluide pénètre axialement dans la pompe par l’ œil de la roue ( zone à basse pression ) qui tourne à grande vitesse. Lorsque la roue et les pales tournent, elles transmettent la quantité de mouvement au fluide entrant. Le fluide accélère radialement vers l’extérieur à partir de la pompe et un vide est créé au niveau de l’œil de la roue qui attire en permanence plus de fluide dans la pompe. À mesure que la vitesse du fluide augmente, son énergie cinétique augmente . Un fluide à haute énergie cinétique est forcé hors de la zone de la roue et pénètre dans la volute . Dans la volute, le fluide s’écoule dans une section de plus en plus importante , où lal’énergie cinétique est convertie en pression de fluide (selon le principe de Bernoulli ).

Les pales de la turbine sont généralement incurvées vers l’arrière, mais il existe également des conceptions de pales radiales et incurvées vers l’avant. La pression de sortie varie légèrement en fonction de la conception utilisée. Les pales peuvent être ouvertes ou fermées . De plus, le diffuseur peut être équipé d’ailettes fixes pour aider à guider le flux vers la sortie. L’énergie transférée au liquide correspond à la vitesse au bord de la roue. Plus la roue tourne vite ou plus la roue est grosse , plus la vitesse sera élevée .

Principes des pompes centrifuges-minroue et diffuseur

 

Pièces principales d’une pompe centrifuge

Pompe centrifuge-minChaque pompe centrifuge est composée de centaines de pièces. Il y a quelques composants que pratiquement chaque pompe centrifuge a en commun. Ces composants peuvent être subdivisés en extrémité humide et en extrémité mécanique .

L’ extrémité humide de la pompe comprend les pièces qui déterminent les performances hydrauliques de la pompe . Les deux extrémités humides primaires sont la roue et le carter . Dans certains cas, le premier roulement radial peut être lubrifié à l’eau. Dans ce cas, le roulement peut également appartenir aux extrémités humides.

L’ extrémité mécanique comprend les pièces qui soutiennent la roue à l’intérieur du boîtier . L’extrémité mécanique de la pompe comprend l’ arbre de pompe , l’ étanchéité, les roulements et le manchon d’arbre .

Ces composants sont conçus pour effectuer des tâches spécifiques:

  • roue et diffuseurRoue. La roue est un rotor utilisé pour augmenter l’énergie cinétique du flux.
  • Boîtier (Volute). Le boîtier contient le liquide et agit comme un récipient de confinement de pression qui dirige le flux de liquide dans et hors de la pompe centrifuge. La volute est un entonnoir incurvé qui augmente de surface à l’approche de l’orifice de décharge. La volute d’une pompe centrifuge est l’enveloppe qui reçoit le fluide pompé par la roue, ralentissant le débit du fluide. Par conséquent, selon le principe de Bernoulli, la volute convertit l’énergie cinétique en pression en réduisant la vitesse tout en augmentant la pression. Certaines pompes centrifuges contiennent des diffuseurs. Un diffuseur est un ensemble d’aubes fixes qui entourent la roue. Le diffuseur dirige le débit, permet une expansion plus progressive et augmente donc l’efficacité de la pompe centrifuge.
  • Arbre (rotor). La roue est montée sur un arbre. L’arbre est un composant mécanique pour transmettre le couple du moteur à la roue.
  • Étanchéité d’arbre. Les pompes centrifuges sont fournies avec des bagues de garniture ou une garniture mécanique qui aident à empêcher la fuite du liquide pompé.
  • Roulements. Les roulements limitent le mouvement relatif de l’arbre (rotor) et réduisent le frottement entre l’arbre rotatif et le stator. Il existe au moins 5 types de roulements courants, chacun fonctionnant selon des principes différents:
    • Palier lisse
    • Palier à roulement
    • Roulement bijou
    • Palier fluide
    • Roulement magnétique

Types de roues dans les pompes centrifuges

roue ouverte, semi-ouverte, ferméeLa conception de la roue est le facteur le plus important pour déterminer les performances d’une pompe centrifuge. Une roue correctement conçue optimise le débit tout en minimisant les turbulences et en maximisant l’efficacité .

La roue d’une pompe centrifuge peut être de trois types de base :

  • Roue ouverte.  Les roues ouvertes ont les aubes libres des deux côtés. Les roues ouvertes sont structurellement faibles. Ils sont généralement utilisés dans des pompes de petit diamètre et peu coûteuses et des pompes manipulant des matières en suspension.
  • Roue semi-ouverte . Les aubes sont libres d’un côté et fermées de l’autre. Le carénage ajoute une résistance mécanique. Ils offrent également des rendements plus élevés que les roues ouvertes. Ils peuvent être utilisés dans des pompes de diamètre moyen et avec des liquides contenant de petites quantités de solides en suspension. En raison de la minimisation de la recirculation et d’autres pertes, il est très important qu’un petit jeu existe entre les aubes de la roue et le carter.
  • Roue fermée . Les aubes sont situées entre les deux disques, le tout dans une seule pièce moulée. Ils sont utilisés dans les grandes pompes à haut rendement et à faible hauteur d’ aspiration nette requise . Les pompes centrifuges à roue fermée sont les pompes les plus utilisées pour traiter les liquides clairs. Ils reposent sur des bagues d’usure à jeu réduit sur la roue et sur le corps de pompe. La roue fermée est une conception plus compliquée et plus coûteuse non seulement à cause de la roue, mais des bagues d’usure supplémentaires sont nécessaires.

Les pales de la roue peuvent être:

  • Conception de lame incurvée vers l’arrière (conception préférée en raison de la pente négative de la courbe de performance)
  • Conception de la lame radiale
  • Conception de la lame incurvée vers l’avant (en raison de conditions de pente positives, cette conception peut provoquer une surtension de la pompe)

Les roues peuvent être soit:

  • Aspiration simple . Une turbine à aspiration unique permet au liquide de pénétrer au centre des pales dans une seule direction.
  • Double aspiration . Une roue à double aspiration permet au liquide de pénétrer au centre des pales de la roue des deux côtés simultanément. Cela réduit les forces exercées sur l’arbre.

Turbine à aspiration simple vs double-min

roue et diffuseurLa pression de sortie change légèrement selon la conception utilisée. Les lames peuvent être ouvertes ou fermées. Le diffuseur peut également être équipé d’ailettes fixes pour aider à guider le flux vers la sortie. L’énergie transférée au liquide correspond à la vitesse au bord de la roue. Plus la roue tourne vite ou plus la roue est grande, plus la tête de vitesse sera élevée.

En général, les pompes centrifuges peuvent être classées en fonction de la manière dont le fluide s’écoule à travers la pompe. Ce n’est pas une classification basée uniquement sur la roue, mais elle est basée sur la conception du corps de pompe et de la roue . Les trois types de flux à travers une pompe centrifuge sont:

  • écoulement radial
  • flux mixte (en partie radial, en partie axial)
  • débit axial (type hélice)

Caractéristiques de performance des pompes centrifuges

Bien que la théorie des pompes centrifuges donne de nombreux résultats qualitatifs, l’indicateur le plus important des performances d’une pompe réside dans des tests hydrauliques approfondis .

Dans l’industrie, les caractéristiques de toutes les pompes sont généralement lues à partir de sa courbe QH  ou courbe de performance  (débit – hauteur). Comme on peut le voir, les graphiques de performance utilisent un débit – Q (généralement en m 3 / h) et une tête de pompe – H (généralement en m) comme variables de performance de base.

 

Tête de système

Tête de système - sans tête statiqueDans le chapitre sur la perte de charge , il a été déterminé que les pertes majeures et mineures dans les systèmes de tuyauterie sont proportionnelles au carré de la vitesse d’écoulement . Il est évident que la perte de charge du système doit être directement proportionnelle au carré du débit volumétrique, car le débit volumétrique est directement proportionnel à la vitesse d’écoulement.

Il faut ajouter que les systèmes hydrauliques ouverts contiennent non seulement la tête de friction, mais aussi la tête d’élévation , qui doit être prise en compte. La tête d’élévation (tête statique) représente l’énergie potentielle d’un fluide en raison de son élévation au-dessus d’un niveau de référence.
Tête d'élévation

Tête de système - avec tête statiqueDans de nombreux cas, la tête totale d’un système est une combinaison de la tête d’élévation et de la tête de friction, comme indiqué sur la figure.

En génie nucléaire, la plupart des systèmes hydrauliques sont des boucles hydrauliques fermées et ces systèmes n’ont qu’une tête de friction (pas de tête statique).

Tête de pompe – courbe de performance

Dans la dynamique des fluides, le terme tête de pompe est utilisé pour mesurer l’énergie cinétique créée par une pompe. La tête est une mesure de la hauteur de la colonne de fluide incompressible que la pompe pourrait créer à partir de l’énergie cinétique que la pompe donne au liquide. La hauteur et le débit déterminent les performances d’une pompe, qui sont représentées graphiquement sur la figure comme la courbe de performances ou la courbe caractéristique de la pompe . La raison principalede l’utilisation de la tête au lieu de la pression pour déterminer les performances d’une pompe centrifuge est que lela hauteur de la colonne de fluide ne dépend pas de la gravité spécifique (poids) du liquide , tandis que la pression d’une pompe changera. En termes de pression, la tête de pompe ( pompe ΔP ) est la différence entre la contre-pression du système et la pression d’entrée de la pompe.

tête de pompe - courbe de performance - graphiqueLa tête de pompe maximale d’une pompe centrifuge est principalement déterminée par le diamètre extérieur de la roue de la pompe et la vitesse angulaire de l’ arbre  – la vitesse de l’arbre en rotation. La tête changera également lorsque le débit volumétrique à travers la pompe augmentera.

Lorsqu’une pompe centrifuge fonctionne à une vitesse angulaire constante , une augmentation de la hauteur du système (contre-pression) sur le flux qui en résulte entraîne une réduction du débit volumétrique que la pompe centrifuge peut maintenir.

La relation entre la tête de pompe et le débit volumétrique (Q) , qu’une pompe centrifuge peut maintenir, dépend de diverses caractéristiques physiques de la pompe comme:

  • la puissance fournie à la pompe
  • la vitesse angulaire de l’arbre
  • le type et le diamètre de la roue

et le fluide utilisé:

  • densité de fluide
  • viscosité fluide

Cette relation est très compliquée et son analyse réside dans des tests hydrauliques approfondis de certaines pompes centrifuges. Comme on peut le voir sur l’image ci-dessous.

Caractéristiques de fonctionnement d’une boucle hydraulique

Lorsque nous rassemblons les caractéristiques de frottement  (tête du système) d’une boucle hydraulique et la courbe de performance, le résultat décrira les caractéristiques de l’ensemble du système (par exemple, une boucle du circuit primaire ). La figure suivante montre la courbe de performance typique d’une pompe centrifuge liée à la tête de friction du système.

Diagramme caractéristique QH de la pompe centrifuge et de la canalisation
Diagramme caractéristique QH de la pompe centrifuge et de la canalisation

La tête de pompe , sur l’axe vertical, est la  différence entre la contre-pression du système et la pression d’entrée de la pompe ( pompe ΔP ). Le débit volumétrique (Q) , sur l’axe horizontal, est le débit auquel le fluide s’écoule à travers la pompe. Comme on peut le voir, la tête est approximativement constante à faible débit, puis tombe à zéro à max . À faible débit, les caractéristiques peuvent être instables (avec une pente positive de la tête de pompe). Il s’agit de caractéristiques indésirables, car une pompe instable peut commencer à osciller entre les deux combinaisons possibles de débit et la canalisation peut vibrer.

Au débit Q1, la pompe gagne plus de charge que ne consomme les pertes par friction, donc le débit à travers le système augmentera . Le débit se stabilisera au point où les pertes par frottement coupent les caractéristiques de la pompe .

Afin de caractériser les performances des pompes centrifuges, les termes suivants sont définis:

  • Tête d’arrêt
  • Efficacité de la pompe
  • Meilleur point d’efficacité
  • Puissance au frein
  • Tête d’aspiration positive nette

Fonctionnement en série des pompes centrifuges (Booster)

Afin d’augmenter le débit volumétrique dans un système ou de compenser des pertes importantes ou mineures importantes , les pompes centrifuges sont souvent utilisées en parallèle ou en série .

Le fonctionnement en série des pompes centrifuges est utilisé pour surmonter une perte de charge importante dans le système ou pour augmenter considérablement la pression lorsque le liquide est injecté dans un système à très haute pression (par exemple, les systèmes d’injection de sécurité à haute pression dans les REP , où des pompes à plusieurs étages sont utilisées).

Lorsqu’une pompe centrifuge fonctionne en boucle fermée, la pression de refoulement résultante sera simplement la somme de la pression d’aspiration et de la pression normalement développée par la pompe lorsqu’elle fonctionne à une pression d’aspiration nulle. Par conséquent, il est bien adapté pour une utilisation en tant que pompe de surpression lorsqu’il est utilisé en série. La tête produite par deux pompes ou plus est égale à la somme des têtes individuelles . Le débit volumétrique de l’entrée de la première pompe à la sortie de la seconde reste le même. Dans la pratique, les pompes à plusieurs étages ( pompe à plusieurs roues ) sont construites afin d’atteindre une hauteur de pompe plus élevée.

Fonctionnement en série des pompes centrifuges

Fonctionnement parallèle des pompes centrifuges

Afin d’augmenter le débit volumétrique dans un système ou de compenser des pertes importantes ou mineures importantes, les pompes centrifuges sont souvent utilisées en parallèle ou en série .

Le fonctionnement parallèle des pompes centrifuges est utilisé pour augmenter le débit à travers le système. Les pompes fonctionnant en parallèle tirent leur aspiration d’un collecteur commun et se déchargent dans une décharge commune . Bien que la tête ne change que légèrement, le débit est presque doublé à un moment donné. Il faut noter que le débit volumétrique est en réalité inférieur au double du débit atteint en utilisant une seule pompe. Cela est dû à une plus grande perte de charge du système résultant d’un débit plus élevé.

fonctionnement parallèle des pompes centrifuges

Modes de défaillance majeurs des pompes centrifuges

Les pompes centrifuges étant l’un des types de pompes les plus utilisés au monde, leurs paramètres de fonctionnement ainsi que leurs vulnérabilités sont bien connus. Cet article examine les principaux modes de défaillance qui se trouvent dans les pompes centrifuges . En général, les pannes de pompe entraînent des changements de fonctionnement qui réduisent l’efficacité ou peuvent entraîner une panne de la pompe. La fiabilité des systèmes hydrauliques et également des pompes centrifuges est de la plus haute importance en génie nucléaire .

Les modes de défaillance des pompes centrifuges peuvent être regroupés en trois catégories:

Modes de défaillance hydraulique

  • Cavitation. La cavitation est, dans de nombreux cas, un événement indésirable. Dans les pompes centrifuges, la cavitation provoque des dommages aux composants (érosion du matériau), des vibrations, du bruit et une perte d’efficacité.
  • Pulsation de pression.  Les pulsations de pression sont des fluctuations de la pression de base. Pour les pompes à haut débit, les pulsations de pression d’aspiration et de refoulement peuvent entraîner une instabilité des commandes de la pompe, des vibrations de la tuyauterie d’aspiration et de refoulement et des niveaux élevés de bruit de pompe.
  • Recirculation de la pompe. Une pompe fonctionnant à une capacité inférieure aux limites de conception peut souffrir d’une recirculation qui se produit à l’intérieur des pompes. La recirculation de la pompe peut provoquer une poussée et une cavitation même lorsque le NPSHa disponible dépasse considérablement le NPSHr du fournisseur.
  • Poussée radiale et axiale. Une poussée radiale élevée qui entraîne des déformations excessives de l’arbre peut entraîner des problèmes persistants de garniture ou de garniture mécanique et, éventuellement, une défaillance de l’arbre. La poussée axiale est imposée le long de l’axe de l’arbre. Une poussée axiale élevée peut imposer une charge excessive sur le roulement.

Modes de défaillance mécanique

  • Saisie ou rupture de l’arbre
  • Défaillance du roulement
  • Échec du joint
  • Les vibrations
  • Fatigue

Autres modes de défaillance

  • Érosion
  • Corrosion

Cavitation dans les pompes centrifuges

cavitation - roue endommagée-minLes principaux endroits où la cavitation se produit sont dans les pompes, sur les roues ou les hélices . Dans les pompes centrifuges, la cavitation résulte d’une réduction de la pression d’aspiration , d’une augmentation de la température d’aspiration ou d’une augmentation du débit au-dessus de celle pour laquelle la pompe a été conçue.

Il existe deux types de base de cavitation de pompe :

  • Cavitation d’aspiration
  • Cavitation de décharge

 

Numéro de cavitation

Le nombre de cavitation (Ca) ou paramètre de cavitation est un nombre sans dimension utilisé dans les calculs de débit. Il est classique de caractériser la proximité de la pression dans le flux de liquide avec la pression de vapeur (et donc le potentiel de cavitation) au moyen du nombre de cavitation.

Le nombre de cavitation peut être exprimé comme suit:

nombre de cavitation - équation

CA = numéro de cavitation

p = pression locale (Pa)

v = pression de vapeur du fluide (Pa)

ρ = densité du fluide (kg / m 3 )

v = vitesse du fluide (m / s)

Dégâts de cavitation

La cavitation est, dans de nombreux cas, un événement indésirable. Dans les pompes centrifuges, la cavitation provoque des dommages aux composants (érosion du matériau), des vibrations, du bruit et une perte d’efficacité.

Source: Wikipedia, CC BY 2.5, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Turbine_Francis_Worn.JPG
Source: Wikipedia, CC BY 2.5,
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Turbine_Francis_Worn.JPG

Le problème technique le plus important causé par la cavitation est peut-être les dommages matériels que les bulles de cavitation peuvent causer lorsqu’elles s’effondrent au voisinage d’une surface solide. L’effondrement des bulles de cavitation est un processus violent qui génère des ondes de choc et des microjets très localisés . Ils forcent le liquide énergétique dans de très petits volumes, créant ainsi des taches de température élevée et ces perturbations intenses génèrent des contraintes de surface hautement localisées et transitoires sur une surface solide. Des signes d’ érosion apparaîtront sous forme de piqûres en raison de l’action de coup de bélier des bulles de vapeur qui s’effondrent. Il a été constaté que les taux de dommages par cavitation augmentent rapidement avec l’augmentation du débit volumique.

Les matériaux plus mous peuvent être endommagés même en cas de cavitation à court terme . Des piqûres individuelles peuvent être observées après l’effondrement d’une seule bulle. Par conséquent, des matériaux plus durs sont utilisés pour les pompes centrifuges . Mais avec les matériaux plus durs utilisés dans la plupart des applications, la contrainte cyclique due à des effondrements répétés peut entraîner une défaillance locale de la fatigue de surface . Ainsi, les dommages causés par la cavitation aux métaux ont généralement l’apparence d’une défaillance par fatigue .

cavitation - effondrement de la bulle-minLorsque les bulles de cavitation s’effondrent, elles forcent le liquide énergétique dans de très petits volumes, créant ainsi des taches de haute température et émettant des ondes de choc, ces dernières étant une source de bruit. Bien que l’effondrement d’une petite cavité soit un événement relativement peu énergivore, des effondrements très localisés peuvent éroder les métaux, tels que l’acier, au fil du temps. Les piqûres causées par l’effondrement des cavités produisent une grande usure des composants et peuvent considérablement réduire la durée de vie d’une hélice ou d’une pompe.

La cavitation s’accompagne généralement également de:

  • Bruit. Le bruit typique est causé par l’effondrement des cavités. Le niveau du bruit qui résulte de la cavitation est une mesure de la gravité de la cavitation.
  • Vibration . Les vibrations de la pompe dues à la cavitation sont des vibrations de basse fréquence caractéristiques, généralement trouvées dans la plage de 0 à 10 Hz.
  • Réduction de l’efficacité de la pompe . Une diminution de l’efficacité de la pompe est un signe plus fiable d’apparition de cavitation.

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Qu’est-ce qu’une chute de pression en deux phases – Définition

Le calcul et la prévision des pertes de charge en deux phases (ou perte de charge), y compris les pertes par frottement et les pertes de charge mineures, constituent un problème beaucoup plus complexe. Génie thermique

Chute de pression en deux phases

Dans l’analyse pratique des systèmes de tuyauterie la quantité de la plus haute importance est la perte de pression due aux effets visqueux le long de la longueur du système, ainsi que les pertes de pression supplémentaires provenant d’autres équipements technologiques tels que , les vannes, les coudes, les entrées de tuyauterie, les raccords et les tees .

Contrairement aux pertes de charge monophasées, le calcul et la prévision des pertes de charge diphasiques constituent un problème beaucoup plus complexe et les méthodes principales diffèrent considérablement. Les données expérimentales indiquent que la perte de charge par frottement dans l’écoulement diphasique (par exemple dans un canal d’ébullition) est sensiblement plus élevée que celle d’un écoulement monophasé ayant la même longueur et le même débit massique. Cela s’explique notamment par une augmentation apparente de la rugosité de la surface due à la formation de bulles à la surface chauffée et à une augmentation de la vitesse d’écoulement.

Chute de pression – Modèle à écoulement homogène

L’approche la plus simple pour la prévision des écoulements diphasiques consiste à traiter l’ensemble du débit diphasique comme s’il était tout liquide , à l’exception de l’écoulement à la vitesse du mélange diphasique . Les pertes de charge diphasiques pour les écoulements à l’intérieur des canalisations et des canaux sont la somme de trois contributions:

La perte de charge totale du débit diphasique est alors:

Totalp total = staticp statique + p maman + p frict

Les pertes de charge statiques et en moment peuvent être calculées de la même manière qu’en cas d’écoulement monophasé et en utilisant la densité de mélange homogène :

mélange densité - définition

Le terme le plus problématique est la chute de pression de frottement ∆p frict , qui est basée sur la chute de pression monophasée multipliée par le facteur de correction biphasé ( multiplicateur de frottement homogène – Φ lo 2 ). Par cette approche, la composante frictionnelle de la chute de pression diphasique est:

chute de pression diphasique - équation

où (dP / dz) 2f  est le gradient de pression de frottement d’un écoulement diphasique et (dP / dz) 1f  est le gradient de pression de frottement si tout le débit (du débit massique total G) s’écoule sous forme liquide dans le canal ( pression monophasée standard goutte ). Le terme Φ lo  est le multiplicateur de frottement homogène , qui peut être dérivé selon différentes méthodes. L’un des multiplicateurs possibles est égal à Φ lo 2  = (1 + x g (ρ l / ρ g – 1))  et donc:
chute de pression biphasée - équation2

Comme on peut le voir, ce modèle simple suggère que les pertes par frottement diphasiques sont en tout état de cause supérieures aux pertes par frottement monophasées. Le multiplicateur de frottement homogène augmente rapidement avec la qualité du flux .

Les qualités d’écoulement typiques dans les générateurs de vapeur et les noyaux BWR sont de l’ordre de 10 à 20%. La perte de frottement biphasique correspondante serait alors 2 à 4 fois supérieure à celle d’un système monophasé équivalent.

Perte mineure en deux phases

Dans l’industrie, tout système de tuyauterie contient différents éléments technologiques comme les extrémités b , les raccords, les vannes ou les canaux chauffants . Ces composants supplémentaires augmentent la perte de charge globale du système. Ces pertes sont généralement appelées pertes mineures , bien qu’elles représentent souvent une part importante de la perte de charge . Pour les systèmes de tuyaux relativement courts, avec un nombre relativement important de coudes et de raccords, les pertes mineures peuvent facilement dépasser les pertes majeures (en particulier avec une vanne partiellement fermée qui peut provoquer une perte de pression plus importante qu’un long tuyau, en fait quand une vanne est fermée ou presque fermée, la perte mineure est infinie).

Les pertes mineures monophasées sont généralement mesurées expérimentalement. Les données, en particulier pour les vannes, dépendent quelque peu de la conception particulière du fabricant. La perte de pression diphasique due à des obstructions d’écoulement local est traitée d’une manière similaire aux pertes de friction monophasées – via un multiplicateur de perte local .

Voir plus: PERTE DE PRESSION FRICTIONNELLE EN DEUX PHASES DANS UN DÉBIT BUBBLY HORIZONTAL AVEC COURBURE À 90 degrés 

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Qu’est-ce que le modèle de flux – Flux biphasé – Définition

Les structures d’écoulement observées sont définies en tant que modèles d’écoulement à deux phases et présentent des caractéristiques d’identification particulières. Modèles de flux – Flux biphasé

Modèles de flux – Flux biphasé

L’un des aspects les plus difficiles de la gestion d’un écoulement diphasique ou multiphasé est le fait qu’il peut prendre de nombreuses formes différentes . Les distributions spatiales et les vitesses des phases liquide et vapeur dans le canal d’écoulement sont des aspects très importants dans de nombreuses branches techniques. Les pertes de charge, ainsi que les coefficients de transfert de chaleur, dépendent fortement de la structure de l’écoulement local et jouent donc un rôle important dans l’ingénierie des réacteurs nucléaires . Les structures d’écoulement observées sont définies en tant que modèles d’écoulement à deux phaseset ceux-ci ont des caractéristiques d’identification particulières. Ces différents modèles d’écoulement ont été classés en fonction de la direction de l’écoulement par rapport à l’accélération gravitationnelle.

  • Profils d’écoulement dans les tubes verticaux
  • Profils d’écoulement dans les tubes horizontaux
modèles d'écoulement
Tableau des modèles d’écoulement de base dans les tubes verticaux.

Les principaux régimes d’écoulement dans les tubes verticaux sont indiqués dans le tableau. Il faut noter que les valeurs de qualitéet de débit dépendent du fluide et de la pression. Dans les tubes horizontaux , il peut également y avoir un écoulement stratifié (en particulier à faible débit), auquel les deux phases se séparent sous l’effet de la gravité.

Pour un débit de liquide constant, la phase vapeur / gaz a tendance à être distribuée sous forme de petites bulles à de faibles débits de vapeur. L’augmentation de la fraction de vide provoque l’ agglomération de bulles en bouchons et en limaces plus gros . Une agglomération plus poussée des bouchons, causant une augmentation supplémentaire de la fraction de vide, provoque la séparation des phases en motifs annulaires dans lesquels le liquide se concentre au niveau de la paroi du canal et la vapeur s’écoule dans le noyau central du canal vertical.

Pour le canal horizontal , la force de gravité tend à drainer l’anneau liquide vers le bas du canal, ce qui entraîne un écoulement stratifié . La force gravitationnelle agissant sur la phase liquide peut être surmontée par des forces cinétiques à des débits élevés, entraînant le retour des flux stratifiés en flux annulaires. À des débits très élevés , le film annulaire est aminci par le cisaillement du noyau de vapeur et tout le liquide est entraîné sous forme de gouttelettes en phase vapeur. Ce régime de flux est généralement appelé flux de brouillard .

Voir également:  Recueil de données techniques III, Thome, JR, Wolverine Tube Inc, 2004.

Modèles d’écoulement – Tubes verticaux

  • Flux pétillant
  • Débit de limace
  • Flux de désabonnement
  • Écoulement annulaire
  • Flux de brume
Bubbly - Slug - Churn - Annular - Mist - Flow
Esquisses de régimes d’écoulement pour un écoulement diphasique dans une conduite verticale. Source: Weisman, J. Modèles d’écoulement diphasique. Chapitre 15 du Handbook of Fluids in Motion, Cheremisinoff NP, Gupta R. 1983, Ann Arbor Science Publishers.
schémas d'écoulement - écoulement vertical - Hewitt
La carte du régime d’écoulement vertical de Hewitt et Roberts (1969) pour l’écoulement dans un tube de 3,2 cm de diamètre, validée pour l’écoulement air / eau à pression atmosphérique et l’écoulement vapeur / eau à haute pression. Source: Brennen, CE, Fundamentals of Multiphase Flows, Cambridge University Press, 2005, ISBN 0521 848040

Modèles d’écoulement – Tubes horizontaux

  • Flux pétillant
  • Écoulement stratifié
  • Débit en prise et débit en boucle
  • Écoulement annulaire
  • Flux de brume
bulle, bouchon, limace, annulaire, brouillard, flux stratifié ou ondulé
Esquisses de régimes d’écoulement pour un écoulement diphasique dans une conduite horizontale. Source: Weisman, J. Modèles d’écoulement diphasique. Chapitre 15 du Handbook of Fluids in Motion, Cheremisinoff NP, Gupta R. 1983, Ann Arbor Science Publishers.
schémas d'écoulement - écoulement horizontal
Une carte de régime d’écoulement pour l’écoulement d’un mélange air / eau dans un tuyau horizontal de 2,5 cm de diamètre à 25 ° C et 1 bar. Les lignes et les points pleins sont des observations expérimentales des conditions de transition tandis que les zones hachurées représentent des prédictions théoriques. Source: Mandhane, JM, Gregory, GA et Aziz, KA (1974). Une carte de configuration d’écoulement pour l’écoulement gaz-liquide dans des tuyaux horizontaux. Int. Écoulement multiphasique

Modèles d’écoulement pendant l’évaporation

La section précédente décrit divers modèles de flux et décrit brièvement leur comportement. Ces schémas d’écoulement étaient considérés comme à fraction de vide constante et à vitesses superficielles constantes . Mais il existe de nombreuses applications industrielles qui doivent prendre en compte une fraction de vide variable et des vitesses superficielles variables. Dans l’industrie nucléaire, nous devons gérer les schémas d’écoulement lors de l’ évaporation (c’est-à-dire lors des changements dans la fraction de vide ).

Une connaissance détaillée des changements de phase et du comportement de l’écoulement pendant le changement de phase est l’une des considérations les plus importantes dans la conception d’un réacteur nucléaire , en particulier dans les applications suivantes:

  • évaporation convective - canal verticalBWR – Réacteurs à eau bouillante
    • Un réacteur à eau bouillante est refroidi et modéré par de l’eau comme un PWR, mais à une pression inférieure (7 MPa), ce qui permet à l’eau de bouillir à l’intérieur de l’ enceinte sous pression produisant la vapeur qui fait fonctionner les turbines. L’évaporation se produit donc directement dans les canaux de combustible. Par conséquent, les REB sont le meilleur exemple pour cette zone, car l’évaporation du liquide de refroidissement se produit en fonctionnement normal et c’est un phénomène très souhaité.
    • Dans les REB, il existe un phénomène de la plus haute importance pour la sûreté des réacteurs . Ce phénomène est connu sous le nom de «tarissement» et il est directement associé aux changements dans le schéma d’écoulement pendant l’évaporation. À la normale, la surface du carburant est efficacement refroidie par ébullition du liquide de refroidissement. Cependant, lorsque le flux de chaleur dépasse une valeur critique (CHF – flux de chaleur critique), le schéma d’écoulement peut atteindre les conditions de séchage (une mince couche de liquide disparaît). Le transfert de chaleur de la surface du carburant vers le liquide de refroidissement est détérioré, avec pour résultat une température de surface du carburant considérablement augmentée .
  • PWR – Réacteurs à eau sous pression
    • Dans les REP en fonctionnement normal, le débit est considéré comme monophasé. Mais de nombreuses études ont été menées sur la nature des écoulements diphasiques en cas de transitoires et d’accidents (tels que l’ accident de perte de liquide de refroidissement – LOCA ou le déclenchement des RCP ), qui sont importants pour la sûreté des réacteurs et doit être prouvée et déclarée dans le rapport d’analyse de la sécurité (SAR). Dans le cas des REP, le phénomène problématique n’est pas l’assèchement. Dans le cas des REP, le flux critique est un flux annulaire inversé . Cet écoulement se produit lorsqu’une surface de revêtement de barre de combustible est surchauffée, ce qui provoque la formation d’une couche de vapeur locale, entraînant une réduction spectaculaire de la capacité de transfert de chaleur. Ce phénomène est connu comme le départ de l’ébullition nucléée – DNB . La différence de régime d’écoulement entre l’écoulement post-dessèchement et l’écoulement post-DNB est illustrée sur la figure.
    • Dans les REP, l’évaporation se produit également dans les générateurs de vapeur. Les générateurs de vapeur sont des échangeurs de chaleur utilisés pour convertir l’ eau d’alimentation en vapeur à partir de la chaleur produite dans un cœur de réacteur nucléaire . La vapeur produite entraîne la turbine.

évaporation convective - canal horizontal

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Qu’est-ce que vapeur – Propriétés de vapeur – Définition

Qu’est-ce que la vapeur – Propriétés de la vapeur. La vapeur est un gaz invisible constitué d’eau vaporisée. Les propriétés de la vapeur sont présentées sous forme de «tableaux de vapeur». Génie thermique

Quelle est la vapeur

La vapeur est un gaz invisible constitué d’eau vaporisée, qui se forme lorsque l’eau bout. Lorsque la vapeur est visible, elle contient le brouillard visible de gouttelettes d’eau. Cette vapeur est appelée ” vapeur humide “, mais la ” vapeur sèche ” est toujours invisible. À des pressions plus basses, telles que dans la haute atmosphère ou dans le condenseur des centrales thermiques, la vapeur peut exister à une température inférieure à la température nominale de 100 ° C à la température et à la pression standard.

Diagramme de phase de l'eau
Diagramme de phase de l’eau.
Source: wikipedia.org CC BY-SA

Étant donné que l’eau et la vapeur sont des milieux couramment utilisés pour l’échange de chaleur et la conversion de l’énergie, la vapeur est générée à grande échelle par les systèmes énergétiques, comme par exemple dans les centrales thermiques. Comme dans toutes les centrales thermiques classiques, la chaleur est utilisée pour générer de la vapeur qui entraîne une turbine à vapeur connectée à un générateur qui produit de l’électricité. Notez que les turbines à vapeur modernes génèrent plus de 80% de l’électricité mondiale.

La vapeur est généralement classée selon la fraction vapeur / (liquide + vapeur). Cette fraction est un paramètre très important de la vapeur et est connue sous le nom de qualité de la vapeur.

Voir aussi: Propriétés de l’eau

 

Qualité de vapeur – Fraction de sécheresse

mélange-vapeur-vapeur-liquide-liquide-minComme on peut le voir sur le diagramme de phase de l’eau , dans les régions à deux phases (par exemple à la frontière des phases vapeur / liquide), la spécification de la température seule déterminera la pression et la pression spécifiera la température. Mais ces paramètres ne définiront pas le volume et l’enthalpie car il faudra connaître la proportion relative des deux phases présentes.

La fraction massique de la vapeur dans une région liquide-vapeur à deux phases est appelée la qualité de la vapeur (ou fraction de sécheresse), x , et elle est donnée par la formule suivante:

la qualité de la vapeur

La valeur de la qualité varie de zéro à l’unité . Bien que définie comme un rapport, la qualité est souvent donnée en pourcentage. De ce point de vue, nous distinguons trois types de vapeur de base. Il faut ajouter, à x = 0, on parle d’état liquide saturé (monophasé).

Cette classification de la vapeur a ses limites. Tenez compte du comportement du système chauffé à la pression, qui est supérieure à la pression critique . Dans ce cas, il n’y aurait pas de changement de phase du liquide à la vapeur. Dans tous les États, il n’y aurait qu’une seule phase. La vaporisation et la condensation ne peuvent se produire que lorsque la pression est inférieure à la pression critique. Les termes liquide et vapeur ont tendance à perdre leur signification. À une pression  supérieure à la pression critique, l’   eau est dans un état spécial, appelé état fluide supercritique .

Voir aussi: Saturation

Voir aussi: Fluide supercritique

Voir aussi: Limitation de la vapeur

Propriétés de Steam – Steam Tables

L’eau et la vapeur sont un fluide commun utilisé pour l’échange de chaleur dans le circuit primaire (de la surface des crayons combustibles au flux de liquide de refroidissement) et dans le circuit secondaire. Il est utilisé en raison de sa disponibilité et de sa capacité thermique élevée, tant pour le refroidissement que pour le chauffage. Il est particulièrement efficace pour transporter la chaleur par vaporisation et condensation de l’eau en raison de sa très grande chaleur latente de vaporisation .

Un inconvénient est que les réacteurs à eau modérée doivent utiliser un circuit primaire à haute pression pour maintenir l’eau à l’ état liquide et pour atteindre une efficacité thermodynamique suffisante. L’eau et la vapeur réagissent également avec les métaux que l’on trouve couramment dans les industries comme l’acier et le cuivre, qui sont oxydés plus rapidement par l’eau et la vapeur non traitées. Dans presque toutes les centrales thermiques (charbon, gaz, nucléaire), l’eau est utilisée comme fluide de travail (utilisé en boucle fermée entre la chaudière, la turbine à vapeur et le condenseur) et le liquide de refroidissement (utilisé pour échanger la chaleur perdue vers un plan d’eau). ou l’emporter par évaporation dans une tour de refroidissement).

Propriétés de l'eau - tables à vapeur
Tables de vapeur – paramètres communs dans les systèmes énergétiques

L’eau et la vapeur sont un milieu commun car leurs propriétés sont très connues . Leurs propriétés sont tabulées dans ce qu’on appelle des « tables de vapeur ». Dans ces tableaux, les propriétés de base et clés, telles que la pression, la température, l’enthalpie, la densité et la chaleur spécifique, sont présentées sous forme de tableau de la courbe de saturation vapeur-liquide en fonction de la température et de la pression. Les propriétés sont également présentées sous forme de tableau pour les états monophasés ( eau comprimée ou vapeur surchauffée) sur une grille de températures et de pressions allant jusqu’à 2000 ºC et 1000 MPa.

D’autres données complètes et faisant autorité peuvent être trouvées sur la page du NIST Webbook sur les propriétés thermophysiques des fluides.

Voir aussi: Tables Steam

Référence spéciale: Allan H. Harvey. Propriétés thermodynamiques de l’eau, NISTIR 5078. Extrait de https://www.nist.gov/sites/default/files/documents/srd/NISTIR5078.htm

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Qu’est-ce que l’eau en génie nucléaire – Définition

Utilisations de l’eau en génie nucléaire. En génie nucléaire, l’eau a différents usages. L’eau est une substance remarquable et possède de nombreuses propriétés physiques remarquables. Génie thermique

Utilisations de l’eau en génie nucléaire

L’eau comme liquide de refroidissement du réacteur


L’eau et la vapeur
 sont des fluides couramment utilisés pour l’échange de chaleur dans le circuit primaire (de la surface des barres de combustible au flux de liquide de refroidissement) et dans le circuit secondaire. Il a été utilisé en raison de sa disponibilité et de sa grande capacité calorifique, tant pour le refroidissement que pour le chauffage. Il est particulièrement efficace de transporter la chaleur par vaporisation et condensation de l’eau en raison de la très grande chaleur latente de vaporisation .

Un inconvénient est que les réacteurs à eau modérée doivent utiliser un circuit primaire à haute pression afin de maintenir l’eau à l’ état liquide et d’atteindre un rendement thermodynamique suffisant. L’eau et la vapeur réagissent également avec les métaux que l’on trouve couramment dans des industries telles que l’acier et le cuivre, qui sont oxydées plus rapidement par l’eau et la vapeur non traitées. Dans presque toutes les centrales thermiques (charbon, gaz, nucléaire), l’eau est utilisée comme fluide de travail (utilisée en boucle fermée entre une chaudière, une turbine à vapeur et un condenseur), et le fluide caloporteur (utilisé pour échanger la chaleur perdue en un corps d’eau ou emportez-le par évaporation dans une tour de refroidissement).

Propriétés des tables eau - vapeur
Tables de vapeur – paramètres communs dans les systèmes énergétiques

L’eau et la vapeur sont un milieu commun car leurs propriétés sont très connues . Leurs propriétés sont tabulées dans ce qu’on appelle des « tables de vapeur ». Dans ces tableaux, les propriétés de base et clés, telles que la pression, la température, l’enthalpie, la densité et la chaleur spécifique, sont présentées sous forme de tableau de la courbe de saturation vapeur-liquide en fonction de la température et de la pression. Les propriétés sont également présentées sous forme de tableau pour les états monophasés ( eau comprimée ou vapeur surchauffée) sur une grille de températures et de pressions allant jusqu’à 2000 ºC et 1000 MPa.

Vous trouverez d’autres données complètes faisant autorité sur la page Webbook du NIST sur les propriétés thermophysiques des fluides.

Voir aussi: Tables à vapeur

 

L’eau comme modérateur

Le modérateur de neutrons , important dans les réacteurs thermiques , est utilisé pour modérer, c’est-à-dire pour ralentir les neutrons de la fission aux énergies thermiques . Les noyaux avec de faibles nombres de masse sont les plus efficaces à cet effet, donc le modérateur est toujours un matériau à faible masse. Les modérateurs couramment utilisés comprennent l’ eau ordinaire (légère) (environ 75% des réacteurs mondiaux), le graphite solide (20% des réacteurs) et l’eau lourde (5% des réacteurs).

Dans la plupart des réacteurs nucléaires , l’eau est à la fois un réfrigérant et un modérateur . La modération se produit surtout sur les noyaux d’hydrogène. Dans le cas de l’ hydrogène (A = 1) comme noyau cible, le neutron incident peut être complètement arrêté – il a le décrément d’énergie logarithmique moyen le plus élevé de tous les noyaux. D’un autre côté, les noyaux d’hydrogène ont une section efficace d’absorption relativement plus élevée , donc l’eau n’est pas le meilleur modérateur selon le rapport de modération .

Modérateurs de neutrons - Paramètres

L’eau comme bouclier neutronique

Blindage du rayonnement neutronique
L’eau comme bouclier neutronique

L’eau en raison de la teneur élevée en hydrogène et de la disponibilité est un blindage neutronique efficace et commun . Cependant, en raison du faible nombre atomique d’hydrogène et d’oxygène, l’eau n’est pas un bouclier acceptable contre les rayons gamma. D’autre part, dans certains cas, cet inconvénient (faible densité) peut être compensé par une épaisseur élevée du bouclier étanche à l’eau. Dans le cas des neutrons, l’eau modère parfaitement les neutrons, mais avec l’absorption des neutrons par le noyau d’hydrogène, des rayons gamma secondaires à haute énergie sont produits. Ces rayons gamma pénètrent fortement dans la matière et peuvent donc augmenter les exigences sur l’épaisseur du bouclier d’eau. Ajout d’un  acide borique peut aider à résoudre ce problème (absorption de neutrons sur les noyaux de bore sans émission gamma forte), mais entraîne un autre problème de corrosion des matériaux de construction.

Voir aussi: Blindage des neutrons

L’eau comme protection contre les radiations gamma

En bref, un blindage efficace du rayonnement gamma est dans la plupart des cas basé sur l’utilisation de matériaux ayant les deux propriétés suivantes:

  • haute densité de matériau.
  • nombre atomique élevé de matériaux (matériaux Z élevés)
Tableau des demi-couches de valeur (en cm)
Tableau des demi-couches de valeur (en cm) pour différents matériaux à des énergies de rayons gamma de 100, 200 et 500 keV.

Bien que l’eau ne soit ni à haute densité ni à forte teneur en Z , elle est couramment utilisée comme écran gamma. L’eau assure la protection contre les radiations des assemblages combustibles dans une piscine de combustible usé pendant le stockage ou pendant les transports depuis et vers le cœur du réacteur . Bien que l’eau soit un matériau à faible densité et à faible teneur en Z, elle est couramment utilisée dans les centrales nucléaires, car ces inconvénients peuvent être compensés par une épaisseur accrue.

Demi couche de valeur d’eau

La couche à demi-valeur exprime l’épaisseur du matériau absorbant nécessaire pour réduire l’intensité du rayonnement incident d’un facteur deux .

Tableau des demi-couches de valeur (en cm) pour différents matériaux à des énergies de rayons gamma de 100, 200 et 500 keV.

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