Dynamic behavior under fluid flow of wire-wrapped fuel pins and associated dimensioning method

Autor: Ma, Xiaoshu
Přispěvatelé: Laboratoire de Mécanique et d'Acoustique [Marseille] (LMA ), Aix Marseille Université (AMU)-École Centrale de Marseille (ECM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Ecole Centrale Marseille, Bruno Cochelin, Stéphane Bourgeois
Jazyk: francouzština
Rok vydání: 2022
Předmět:
Zdroj: Mécanique des fluides [physics.class-ph]. Ecole Centrale Marseille, 2022. Français. ⟨NNT : 2022ECDM0003⟩
Popis: Understanding the dynamic behavior of fuel pins subjected to seismic loading is one of themajor concerns for the design of SFRs (Sodium-cooled Fast Reactors) and in particular for thedesign of the ASTRID prototype. In this field, two physical aspects are important: the strongnon-linearity due to the contacts (between the fuel pins and between the pins and the wrappertube) and the fluid-structure interaction with the coolant.These phenomena are taken into consideration with the fluid-elastic force model proposed byPaidoussis and a penetration impact law. Several parameters engaged with these models are tobe determined with experiments. To this end, a test bench CARNEAU equipped with a fastcamera as measurement is designed to capture the motion history of the fuel pins in water flowof different velocities and under sine sweep excitation. It is anticipated to identify the globalparameters lumping the effects of the detailed physics with modal analysis, unfortunately theexperiments were not carried out.With the parameters decided with the inspiration from the previous experiments and theoreticworks, two numeric methods have been used to exploit the model: the traditional method usingimplicit Newmark integration and the global periodic time integration (GPTI) method. Themodelling enables us to have a phenomenal analysis on the nonlinear dynamics of the fuel pins:the relatively simple global vibration and the local impact-related chatters of much smaller timescale, which is the origin of the complexity of the dynamic behavior. The two methods haveboth their advantages and limits with the impact-related problem. The direct time-integration isquite direct and can be applied for any contact rigidity, but it is difficult to cover the coexistingregimes led by the nonlinearity as it is sensible to the initial condition. The GPTI method allowsto unfold the solution branch for a varying parameter and each solution point corresponds to avibration regime, but the difficulty with the continuation leads to a limited range of contactstiffness and excitation amplitude. With an increasing amplitude, more and more solutionbranches coexist for the periodic dynamic responses of the fuel pin resulting in a greatcomplexity, the GPTI method does not neither guarantee the observation of all the possibleperiodic solutions, the direct time-integration can be complementary but not exhaustive.The fluid-structure coupling is also an essential element for the correct modeling of the system.The effects of the fluid on the structure have been taken into account in the previous model. Togo further, it is necessary to take into account the effects of the structure on the flow. To thisend, a spatial averaging method considering the space-and-time dependent RVEs has beenproposed. It makes it possible to establish the equations of motion of the fluid by averaging theNavier Stockes equation in the form of Arbitrary Lagrangian Eulerian (ALE). The couplingwith the structure is accounted for by using the hydraulic model of Paidoussis.; La compréhension du comportement dynamique des aiguilles combustibles soumises à un chargement sismique est une des préoccupations majeures pour la conception des RNR(Réacteurs à Neutrons Rapides) et notamment pour la conception du prototype ASTRID. Dans ce domaine, deux aspects physiques sont importants : la forte non-linéarité due aux contacts(entre les aiguilles combustibles et entre les aiguilles et le tube hexagonal) et l'interaction fluide-structure avec le caloporteur.Ces phénomènes sont pris en compte en utilisant le modèle de la force fluide-élastique proposé par Paidoussis et une loi de contact par pénalisation. Plusieurs paramètres associés à ces modèles sont à déterminer expérimentalement en utilisant la méthode d’analyse modale. A cet effet, un banc d'essai CARNEAU équipé d'une caméra rapide a été conçu pour visualiser la vibration des aiguilles sous écoulement d'eau à différentes vitesses et sous sollicitation dynamique de type balayage sinusoïdal. Malheureusement, les essais visagés n'ont pas pu êtreréalisés dans le cadre de ce travail.En utilisant les paramètres déterminés dans la littérature (expérimentalement ou bien par desapproches théoriques), le modèle numérique développé dans ce travail a pu être exploité en mettant en œuvre deux méthodes : la méthode traditionnelle en utilisant l'intégration de Newmark implicite et la méthode GPTI (global periodic time integration). Ces modélisations nous permettent d'avoir une analyse phénoménologique de la dynamique non linéaire des aiguilles combustible : la vibration globale, qui reste relativement simple, et les vibrations parasites liées aux contacts se produisant sur des échelles de temps beaucoup plus petites, d’où la complexité du comportement dynamique. Les deux méthodes ont leurs propres avantages etlimites pour les problèmes de contacts. La première méthode est assez directe et utilisable avec n'importe quelle rigidité de contact, mais des difficultés apparaissent pour obtenir les régimes coexistants sensibles aux conditions initiales choisies et générés par la non-linéarité. La méthode GPIT permet de déployer une branche de solution pour un paramètre variable(fréquence, amplitude de la sollicitation, ...) et chaque point solution correspond à un régime de vibration. Cependant la difficulté induite par la continuation conduit à une plage limitée de laraideur de contact et de l'amplitude de sollicitation. Avec l’augmentation de l’amplitude, de plus en plus de branches de réponses périodiques coexistent pour la dynamique de l'aiguille etprésentent une grande complexité pour l’analyse. Par ailleurs, la méthode GPIT ne garantit pas l'observation de toutes les branches, et donc la méthode d’intégration directe peut être une solution complémentaire mais ne permet pas de trouver toutes les solutions correspondantes aux comportements dynamiques des aiguilles.La prise en compte du couplage fluide structure est aussi un élément essentiel à la bonne modélisation du système. Les effets du fluide sur la structure ont bien été pris en compte dans le cadre du modèle précédent. Pour aller plus loin, une prise en compte des effets de la structure sur l’écoulement est nécessaire. Pour cela, une approche par moyenne spatiale, sur chaque Volume Elémentaire Représentative dépendante de l’espace et du temps, a été proposée. Elle permet d’établir les équations du mouvement du fluide en moyennant l’équation de Navier-Stokes sous une forme ALE (Arbitrary Lagrangian Eulerian). Le couplage avec la structure est pris en compte en utilisant le modèle hydraulique de Paidoussis.
Databáze: OpenAIRE
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