Étude d’un écoulement transitoire d’hélium diphasique en circulation naturelle Présentation du stage de fin d’étude Guillaume LEPARMENTIER

Plan I.Présentation du stage II.Le dispositif expérimental III.Mesures et analyses IV.Modélisation numérique 2

Présentation du stage 3

Contexte général Les aimants supraconducteurs sont utilisés pour les accélérateurs de particules ou les IRM. L’état de supraconductivité de certain matériaux se manifeste à des températures proches du zéro absolu. L’hélium (point d’ébullition à 4,2K soit -268,93°C) sert à maintenir les aimants dans leur état supraconducteur Présentation du stage 4

Hélium gaz Hélium liquide Ecoulement monophasique Ecoulement diphasique Le principe du thermosiphon Sous l’effet d’une source de chaleur, la masse volumique du fluide diminue. Dans notre cas, il y a ébullition, et donc apparition d’un écoulement diphasique. Le fluide diphasique est moins dense que le fluide monophasique. L’écoulement est créé par gravité. Présentation du stage 5

Travaux réalisés Etude d’un écoulement thermosiphon expérimental. -Préparation de la manipulation -Mesures en régime permanent -Mesures en régime transitoire Modélisation numérique. Présentation du stage 6

Le dispositif expérimental 7

La boucle expérimentale Le dispositif expérimental 8 2 m

Les grandeurs mesurées Le dispositif expérimental 9 Mesure du débit vapeur m v à chaud à l’extérieure. Mesure de température de paroi : 5 sondes de températures fixée à la section chauffée Mesure du débit total m T à l’aide d’un venturi et d’un capteur de pression différentielle. Mesure de la pression interne du réservoir P i. Mesure de la puissance de chauffage Q Mesure des pertes de charges dans la section chauffée à l’aide d’un capteur de pression différentielle Le niveau d’hélium dans le réservoir

Mesures et analyses 10

Régimes d’ébullition en écoulement Analyses et résultats 11 Flux de chaleur surfacique q ConvectionEbullition nucléée Ebullition en film T P Vapeur Liquide popo

Débits massiques Mesures et analyses 12 Régime permanent

Mesure de température Mesures et analyses 13 He ΔTΔT Cu ΔT mesuré = T p – T p 0 T p 0  Température de paroi à flux nul T p  Température de paroi

Températures Mesures et analyses 14 Régime permanent

Régime transitoire Mesures et analyses 15

Débit vapeur Mesures et analyses 16 Même flux initial (94 W/m²) Comparaison de l’augmentation de débit entre le régime permanent et le régime transitoire Régime transitoire

Débit total Mesures et analyses 17 Débit total Variation de débit total Même flux initial (94 W/m²) Régime transitoire Variation de de débit total (kg/s)

Mesures et analyses 18 Même flux final 1150 W/m² Débit total Variation de débit total Débit total Régime transitoire

Influence du niveau d’hélium Mesures et analyses 19 Niveau d’hélium (cm) Débit total (kg/s) q = 100 W/m² q = 500 W/m² q = 1200 W/m² Le niveau d’hélium est linéairement lié au débit total L’erreur systématique induit une erreur de plusieurs g/s

Températures Mesures et analyses 20 Saut de 94 à 955 W/m²

Températures Mesures et analyses 21 Situation initiale de sous- refroidissement Changement de régime d’ébullition Déclanchement de l’ébullition nucléée Même flux initial (94 W/m²)

Températures Mesures et analyses 22 Ebullition en film  Temps d’apparition de l’ébullition en film dépendant du flux final Régime transitoire q f = 2920 w/m² q f = 1931 w/m²

Début de l’ébullition en film Mesures et analyses 23 Flux surfacique final de 2920 W/m² Flux surfacique initial de 950 W/m²

Le coefficient d’échange Mesures et analyses 24 Déclenchement de l’ébullition en film

Modélisation Comsol Multiphysics 25

Equations Modélisation 26 Continuité : Les équations d’un écoulement diphasique 1D en régime permanent dans un tube dans le cas du modèle homogène sont les suivante* : * D’après G. B. Wallis, One-dimensional Two-phase Flow Conservation de la quantité de mouvement : Conservation de la quantité de l’énergie :

Géométrie Modélisation 27 Domaine 1 Domaine 2 A B C D E et F Domaine 1 Domaine 2 BC D E F G z G

Point d’ébullition Modélisation 28 z eb imposé z h h sat h calculé z eb corrigé h(z eb )>h sat (z eb ) h z eb imposé z eb corrigé z Recherche de z eb par corrections successives Initialisation vers le début de la section chauffée Corrections selon la valeur de l’enthalpie  z eb trop loin  z eb trop tôt Vrai Faux z z eb imposé

Résultats pour p, v, h et x Modélisation 29

Point de démarrage de l’ébullition Modélisation 30

Comparaison avec les résultats expérimentaux Modélisation 31

Bilan sur la modélisation Bonne reproductibilité des résultats expérimentaux Le modèle ne prend pas en compte l’ébullition en film Possible passage à un model transitoire en utilisant le modèle permanent pour les conditions initiales. Modélisation 32

Conclusion Sur les résultats : De nouvelles données en régime transitoire sur le thermosiphon Mise en évidence d’éléments perturbateurs Sur le stage : Découverte du monde expérimental Une expérience riche en apprentissage 33

34 Merci de votre attention.