Étude de la phase de déclenchement et descalade dune explosion de vapeur julien lamome directeur...

Étude de la phase de déclenchement et d’escalade d’une explosion de vapeur

Julien LAMOME

Directeur de thèse : G. Berthoud (CEA/INPG)

Encadrant IRSN : R. Meignen

PLAN

Introduction (explosion de vapeur, motivation, travaux précédents)

Travail réalisé (1- Dynamique du film 2- Instabilité de Rayleigh Taylor 3- Mécanismes de fragmentation 4- Extrapolation)

Conclusion

Soutenance- Étude de la phase de déclenchement et d’escalade d’une explosion vapeur–

Explosion de vapeur — Généralités

« Explosion de vapeur » : vaporisation rapide lors de la mise en contact d’un liquide chaud avec un liquide froid volatil

Un phénomène, plusieurs origines :

Domaine Liquide chaud

Liquide froid

Vulcanologie magma Eau/glace

Industrie pétrolière Eau GPL

Métallurgie(principalement

aluminium)

Métal en

fusionEau

Nucléaire(ce qui nous intéresse ici)

Corium (UO2 +

structure)

Eau

Introduction


Accidents envisageables :

Suite à une explosion de vapeur, le confinement d’un réacteur nucléaire peut être menacé

Prévoir les contraintes mécaniques engendrées par l’explosionPoint principal des recherchesAvancement : utilisation de logiciels multi dimensions

Connaître les conditions propices au déclenchementAbsence de modèleMécanismes incertains

Motivation de l’étude

Introduction

Interaction hors cuve

Interaction en cuve


Expériences d’explosion

On verse plusieurs kilogrammes (de 1 à 100) d’un matériaux à haute température (1000 K à 3300 K) dans une cuve contenant de l’eau

Observations :L’explosion n’est pas systématiqueLes conditions initiales peuvent influencer cette explosion (Température de l’eau, pression …)Un explosif peut déclencher l’explosion de vapeur (perturbation)

eau

Liquide chaud

Explosif (facultatif)

Introduction


Phases de l’explosion

État initial: grosses gouttes de combustible liquide entourées de vapeur, éparpillées dans le réfrigérant (~1 cm)

InitiationInitiation : une perturbation fragmente finement une partie du mélange (~100 µm)

Propagation/Escalade : la partie fragmentée génère une surpression qui va fragmenter les gouttes voisines. Cette propagation amplifie la pression reçue, les gouttes voisines se fragmentent plus finement

Propagation type détonation : la propagation se fait par un choc, la fragmentation est continue

État initial Fragmentation Débris+eau+vapeurcho

c

P

Introduction


Problématique

Explosion Refroidissement

Mélange initial

Introduction

Pperturbation


Restriction de l’étude

Mécanisme de fragmentation thermique (faibles perturbations, We<12)

Nous cherchons à savoir dans quelles conditions une explosion peut être initiée

Nous nous intéressons pour cela aux rôles :De la pression ambianteDe la forme et de l’amplitude de la perturbationDe la température de l’eau et du combustibleDu taux de vide

La fragmentation d’au moins une goutte initie l’explosion

Nous nous intéressons à la fragmentation thermique d’une goutte

Introduction


Observations expérimentales

Une faible perturbation de pression (quelques bars) peut fragmenter la goutte finement

Phénomène isotrope

Variation de l’épaisseur du film de vapeur (-> bulle)

Rayon X -> croissance de pic à la surface de la goutte

I explosion f(I perturbation)

P

t

P~5 bars

t~20 µs

Perturbation type

Introduction


Modélisations précédentes

Avec des modèles très variés, chaque auteur peut retrouver les résultats expérimentaux pour une expérience particulière

I. Darbord (1997)Kim & Corradini (1985)

Ciccarelli & Frost(1992)

E. Leclerc (2000)

A. Giri (KTH, 2005)

lv vc Modèle Giri :

Quels mécanismes choisir ?

Introduction


Analyse des modélisations précédentes

Tous les modèles retrouvent les bulles sur des expériences particulières

Retrouver les bulles ne valide pas le mécanisme

Chaînage important des mécanismes, rendant l’interprétation délicate

EN CONSÉQUENCE

Recentrer sur ce qui nous intéresse : explosion ou non

Utiliser un modèle plus simple à interpréter

Trouver un critère d’explosion

Introduction


État initial :Une goutte

entourée de vapeur

Une onde de pression entraîne la contraction du film

Imperfections→ contacts

entre liquides

Pressurisation locale → croissance pic et fragmentation

1 2

3 4

Mécanisme ressortant des précédents modèles

Introduction


Déductions

Le choix du mécanisme de fragmentation de la goutte une fois le contact réalisé ne semble pas primordial

Nous considérerons alors que l’étape du modèle qui détermine si il y a une explosion ou non est l’obtention d’un contact entre l’eau et la goutte

Contact ?

explosion explosion

oui non

Introduction

Hypothèse :


Approche globale / Validations expérimentales

Carte d’explosion de Nelson et DudaDomaine explosifSeuil fonction Pambiante

Explosion phénomène binairePerturbation seuilPuissance de l’explosion ne dépend pas de la perturbation

Objectifs :1- Expliquer ce graphe2- Extrapoler aux conditions réacteurs

Carte d’explosion de Nelson et Duda (eau/acier (2000K))

2

Combustible

Vap

Liquide

Introduction


2

Combustible

Vapeur

Liquide

Étapes de l’analyse

Évolution du film de vapeur soumis à une perturbation en pression

Épaisseur minimale donne l’ordre de grandeur des imperfections/instabilités

Analyse des instabilités de l’interface eau/vapeurMécanisme augmentant les imperfections initiales par IRT

Mécanismes de pressurisation et de déstabilisation de la goutte

Justifie l’hypothèse de simple contact

Extrapolation à des conditions initiales différentes

Introduction

Quel est le rôle de la dynamique du film de vapeur ?

À quel point le film s’amincit-il lors de sa compression ?

Introduction

1- Dynamique du film

2- Instabilité de Rayleigh Taylor

3- Mécanisme de fragmentation

4- Extrapolation

Conclusion


Détail de l’expérienceDonnées :

Pression au capteurDistances entre capteur, goutte, perturbationVolume de la goutte

Résultats :Zone d’explosion retardéeSeuil d’explosion en fonction de la pressionmaximale au capteurOn ne cherche pas a avoir précisément les seuils

Configuration des tests à basses pressions

Configuration des tests à hautes pressionsperturbation

goutte

Capteur de pression

Zone d’explosion retardée (incertitude)

1- Rôle de la dynamique du film de vapeur

Pcapteur Pgoutte


liquide vapeur combustible

Le film de vapeurHypothèses :

- Géométrie sphérique (phénomène isotrope)

- Réfrigérant liquide faiblement compressible

Lois d’évolution:

Dynamique du film fonction de la pression de la vapeur

Pression dans la vapeur à partir du bilan de masse à l’interface eau/vap et des transferts thermiques

Modélisation du mouvement du film



5,00

E+

04

1,50

E+

05

2,50

E+

05

3,50

E+

05

4,50

E+

05

5,50

E+

05

6,50

E+

05

7,50

E+

05

8,50

E+

05

9,50

E+

05

1,05

E+

06

1,15

E+

06

5,00E+041,00E+051,50E+052,00E+052,50E+053,00E+053,50E+054,00E+054,50E+055,00E+055,50E+056,00E+056,50E+057,00E+057,50E+058,00E+058,50E+059,00E+059,50E+05

pression ambiante [Pa]

pression déclencheur [Pa]

épaisseur minimale

9,00E-05-9,50E-05

8,50E-05-9,00E-05

8,00E-05-8,50E-05

7,50E-05-8,00E-05

7,00E-05-7,50E-05

6,50E-05-7,00E-05

6,00E-05-6,50E-05

5,50E-05-6,00E-05

5,00E-05-5,50E-05

4,50E-05-5,00E-05

4,00E-05-4,50E-05

3,50E-05-4,00E-05

3,00E-05-3,50E-05

2,50E-05-3,00E-05

2,00E-05-2,50E-05

1,50E-05-2,00E-05

1,00E-05-1,50E-05

5,00E-06-1,00E-05

0,00E+00-5,00E-06

epaisseur film

0,00E+00

1,00E-04

2,00E-04

3,00E-04

0,00E+00 1,00E-04 2,00E-04 3,00E-04

temps [s]

Ep

ais

se

ur

[m]

1er cycle 2ème cycle

Résultat

Observation de l’épaisseur minimale en chaque point

Iso épaisseur -> variation monotone

Ceci implique une très forte dépendance au mécanisme d’instabilité

30 µm

25 µm

20 µm

1 cycle



Deuxième cycle

Il apparaît que l’épaisseur minimale peut être atteinte lors du deuxième cycle de compression du film (vrai pour une certaine partie de la carte)

L’oscillation du film plus proche de la durée de la perturbation

Dans le domaine étudié, il n’est pas apparut de mini au 3ème cycle

epaisseur film

0,00E+00

2,00E-05

4,00E-05

6,00E-05

0,00E+00 5,00E-05 1,00E-04temps [s]

ep

ais

se

ur

[m]

Épaisseur du film à 5 barsepaisseur film

0,00E+00

1,00E-04

2,00E-04

3,00E-04

0,00E+00 1,00E-04 2,00E-04 3,00E-04

temps [s]

Ep

ais

se

ur

[m]

1er cycle 2ème cycle

Épaisseur du film à 1 bars

P

t

P~5 bars

t~20 µs



Résultat au deuxième cycle

Les lignes d’iso épaisseurs minimales présentent des variations similaires aux variations expérimentales

Une ligne d’iso épaisseur minimale entre 25 et 30 µm est proche du résultat expérimental

5,0

0E

+0

4

1,5

0E

+0

5

2,5

0E

+0

5

3,5

0E

+0

5

4,5

0E

+0

5

5,5

0E

+0

5

6,5

0E

+0

5

7,5

0E

+0

5

8,5

0E

+0

5

9,5

0E

+0

5

1,0

5E

+0

6

1,1

5E

+0

6

5,00E+041,00E+051,50E+052,00E+052,50E+053,00E+053,50E+054,00E+054,50E+055,00E+055,50E+056,00E+056,50E+057,00E+057,50E+058,00E+058,50E+059,00E+059,50E+05

pression ambiante [Pa]

pre

ss

ion

dé

cle

nc

he

ur

[Pa

]

Epaisseur minimale après deux cycle

30 µm

25 µm

20 µm

2 cycles



Sous refroidissement constant

Observation de tendances proches de l’expérience avec des valeurs de 30 µm


Épaisseur minimale [m]

Pression déclencheur [Pa]

Pression ambiante [Pa]


Carte en fonction de la température de l’eau

Obtention du seuil de décrochement

Valeurs d’épaisseur minimale proche des résultats précédents


À 2 bars, 35 à 40 µm

Épaisseur min [m]

Pression déclencheur [Pa]

À 5 bars, 30 µmPression déclencheur [Pa]

Épaisseur min [m]


Température de la goutte variable

Expérimentalement, les auteurs ne notent pas de dépendance des résultats vis à vis de la température de la goutte entre 2000 et 2800 K

L’épaisseur initiale peut être inférieur au critère !

Pression du déclencheur [Pa]

Température de la goutte [K]


Épaisseur min [m]


Conclusion sur la dynamique de film

Certaines lignes d’iso-épaisseurs minimales autour de 20 à 30 µm correspondent bien aux seuils expérimentaux d’explosion

Il n’y a pas de valeur bien déterminée

Ces résultats ne sont obtenus qu’en considérant que le contact peut avoir lieu jusqu’au deuxième cycle

La relation a des limites (par exemple pour la température du combustible)

=> La dynamique de film permet de comprendre, mais pas de déterminer si il y a explosion


Quel est le rôle des instabilités de Rayleigh Taylor ?

Introduction




4- Extrapolation

Conclusion


Instabilité de Rayleigh Taylor

accélération

-1,00E+06

-5,00E+05

0,00E+00

5,00E+05

1,00E+06

1,50E+06

2,00E+06

0,00E+00 2,00E-05 4,00E-05 6,00E-05 8,00E-05 1,00E-04 1,20E-04

m/s²

s

La variation d’épaisseur induit une accélération de l’interface ->IRT

Croissance des imperfections avec accélération > 0

Modélisation avec accélération variable, prenant en compte la phase « stabilisatrice »

Illustration des IRT, déformation de

a >

0

eau

vapeur~100 µm

Phase stabilisatrice

Phase déstabilisatrice

2- Rôle des instabilités de Rayleigh Taylor


Modélisation

Géométrie plane (longueurs d’onde << rayon goutte)

Fluides incompressibles

Effet de couplage et d’épaisseur du film négligeable (vap<<liq)

Prise en compte de la phase d’accélération négative (négligée avant)

La phase stabilisatrice modifiant le spectre de manière complexe, il faut prendre en compte un grand nombre de longueur d’onde

2

Vapeur

Liquide

xy

0

3

Fkk

Fliq

liq

k

ikxkk etF0



Modélisations de l’explosion

2 Parties

liquidevapeurcombustible

Dynamique de film


1

2

RDrop

Vapor

Liquide

xy

Instabilités de Rayleigh Taylor

Paramètre : instabilité initiale


Un cycle

Pour chaque pression ambiante et pression du déclencheur, on teste si un contact se produit

Un cycle -> monotoneConfirme résultat sur épaisseur min

=> 2 cycles



Résultats

Retrouve tendanceDiminutionPlateauPente

Incertitude à BP

Rôle des instabilités :Forme : faible (mm c)Seuil : important

Forte dépendance à la valeurinitiale des instabilités

Note: 0=f(P) ?

Influence de la perturbation initiale

F0



Température de l’eau

Le modèle retrouve les variations expérimentales (faible seuil, puis augmentation rapide)

Mais un écart de 30 K plus chaud par rapport aux données expérimentales

Explosion difficile proche de la saturation (condition réacteur)



Température du combustible

Relative stabilité des seuils d’explosion, plus en accord avec les observations

Les IRT permettent de s’affranchir des limites précédentes

Pression du déclencheur [Pa]

Température de la goutte [K]

Rappel :

Iso-épaisseurs



Conclusion sur le mécanisme d’instabilité

Mécanisme complexe en accélération variable (alternance positive négative)

Forte sensibilité de la valeur de l’instabilité initiale sur l’obtention d’un contact

Il ne détermine pas les variations expérimentales dans la plupart des cas (T eau, P ambi, mais pas T comb)

Confirmation de la nécessité d’avoir deux cycles


Mécanisme de fragmentation de la goutte

Du contact à la déformation de la goutte

Introduction




4- Extrapolation

Conclusion


Ordre de grandeur de la pression de contact nécessaire pour la fragmentation

A partir d’un calcul type IRTApplication d’une pression périodique (cas particulier du problème précédent a=0)Déformation de la goutte suffisante pour avoir fragmentation :

Obtention d’une relation pour un temps de contact bref P.t=A

Exemple : 5 bars pendant 5 µs → déformation de A Pa.ssinP P kx

Pmodèle

P

3- Fragmentation de la goutte


Mécanismes de pressurisation locales

Le choc thermique, avec contact parfaitPression suffisanteMais difficilement concevable (différence de température)

Pseudo contactProximité des liquides → forte évaporationDifficile à estimer


Tc

Tl


Choc thermique (méthode des caractéristiques)

ClassiquementÉquation d’état simplifiée, or il y a de fortes variations sur cette gamme de températureConditions limites de pression et température à froidMécanisme non concluant

Méthode des caractéristiquesMaillage des différents milieuxÉquation d’état réalisteModifications importantes du comportement, notamment

lors du passage en supercritiqueConditions de pression et de température localesUne pression de contact 10 fois supérieure


Tc

Tl


Pression par choc thermique

Critère fragmentation

Pression max 9e7 Pa

Temps suffisant à partir d’environ 5.10-9 s de contact

Pression en fonction du temps au contact (30 bars et Tsat) Temps de contact

Longueur critère


Tc

Tl


Pressurisation par évaporation

Modification de la condition de vitesse à l’interface, IRT double interface

Terme supplémentaire dans l’équation

J proportionnel à la distance => divergence du terme => « forte pression »

i

i

i

ii

J

y

JJ

yV

t

0

11212

12222221221

21 2222

4 RkJSi

CoJ

kSiSi

Cok

kkSiSikSi

Co

)()(11

42

422

23222

223

02

2221221

22

23

RkJJSi

J

kSi

Je

SiSi

Co

SikkSi

Co

k

F

ikxv

scv

eFL

TTkxtJ

001

11

)(,

Eau-vap

Goutte-vapCondition vitesse

Termes supplémentaires

Expression du flux :

Termes supplémentaires



Résultat

Déformation conséquente => mécanisme possible

Modèle pas totalement abouti, pas de carte, mais but atteint


-4,00E-04

-3,00E-04

-2,00E-04

-1,00E-04

0,00E+00

1,00E-04

2,00E-04

3,00E-04

0,00E+00 5,00E-05 1,00E-04 1,50E-04 2,00E-04

Temps [s]

Dis

tan

ce [

m]

2

amplitude pic goutte

epaisseur film


Conclusion sur les mécanismes de fragmentation

Une pression relativement faible suffit à déformer la goutte de façon à ce qu’elle se fragmente

Nous avons vu 2 mécanismes capables de déformer ainsi la goutte en un temps très court

Nous justifions alors l’hypothèse de Nous justifions alors l’hypothèse de contact=explosioncontact=explosion


Extrapolation

À des conditions se rapprochant du cas réacteur

Introduction




4- Extrapolation

Conclusion


Rayon de la goutte

Le rayon de la goutte a une certaine influence sur le seuil d’explosion

4- Extrapolation


Pression ambiante plus élevée

Coupure au-delà de 16 bars (test jusqu’à 50 bars)

Une perturbation plus élevée génèrerait de la fragmentation hydro

4- Extrapolation


Influence de la fraction volumique de vapeur

Fraction volumique de vapeur dans l’eau non nulleModification de l’équation de Rayleigh (milieu ambiant plus compressible)

Décalage vers les basses P à HP

Seuil plus bas à basse pressionInfluence d’une fraction de vapeur non nulle

lg

lg

PPtC

RRPP

vvR

2

112

31 2

31 MMM

Équation de Prosperetti

4- Extrapolation

CONCLUSION

Introduction




4- Extrapolation

Conclusion


Conclusion

L’objectif était de cerner les conditions d’explosion, nous avons abordé le problème de la fragmentation thermique de façon originale, en se focalisant sur les 1ers instants

La principale hypothèse est que le contact entre liquides suffit à fragmenter la goutte. Les deux mécanismes étudiés en montrent la possibilité

Le contact peut s’effectuer après quelques cycles.

Les cartes d’explosion de N&D sont relativement bien retrouvées

Les IRT semblent avoir un rôle assez faible, avec une amplification peu élevée

Les effets de divers paramètres (T eau, P, vide) sur l’explosion de la goutte ont été analysés


Conclusion / implication des résultats

Existence d’un seuil de pression ambiante au delà duquel il n’y a plus de fragmentation thermique (fragmentation hydrodynamique toujours possible)

Lorsque la température de l’eau se rapproche de la saturation, la fragmentation thermique devient impossible

Cas réacteur : En cuve, H.P. et saturation : explosion improbable Hors cuve, B.P. et eau froide : explosion possible


1

2

R Combustible

Vapeur

x

y

Liquide


Justification expérimentale

Les auteurs donnent une explosion tardive(~300 µs après perturbation)

Artefact : fréquence des photos<oscillation

Cycles varient fortement avec la pression

0

50

100

150

200

250

300

0 100 200 300time (µs)

thic

knes

s (µ

m)

P = 0.83 bar

P = 5 bar

Pa = 0.83 b



Sensibilité des IRT

Il n’y a pas de fortes variations de l’amplification sur la carte -> pas de critère

Une amplification entre 5 et 10 correspond à peu près au résultat expérimental

amplification


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