1 Dapnia SACM ÉTUDE D’ ÉCOULEMENT D’HÉLIUM DIPHASIQUE EN CIRCULATION NATURELLE Lahcène BENKHEIRA CEA/Saclay Lemta/Nancy.

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1 1 Dapnia SACM ÉTUDE D’ ÉCOULEMENT D’HÉLIUM DIPHASIQUE EN CIRCULATION NATURELLE Lahcène BENKHEIRA CEA/Saclay Lemta/Nancy

2 2 Dapnia SACM Principe de fonctionnement de la boucle Objectifs de l’étude Système expérimental Analyse et résultats –Coefficient d’échange thermique –Flux critique –Modélisation de la boucle de circulation Application au refroidissement de l’aimant de CMS Conclusion Plan

3 3 Dapnia SACM Principe de fonctionnement L’écoulement est créé par une différence de densité entre le tube descendant et le tube ascendant suite à un apport de chaleur sur ce dernier Coude arrondi droit LHe q Tube d’essai ρlρl ρ<ρlρ<ρl

4 4 Dapnia SACM Objectifs de l’étude Détermination des lois de comportement –Coefficient d’échange thermique pariétal –Coefficient de frottement –Taux de vide Établissement de cartes de régime d’écoulement Étude de crises d’ébullition –Flux critique –Hystérésis Étude de régime transitoire –Instabilité de l’écoulement (désamorçage de la boucle) –Variation brutale et locale de flux de chaleur et de pression

5 5 Dapnia SACM Système expérimental TT53 LT1 LT2 PT42 TT57 TT56 TT54 TT55 H24 PT52 TT23 TT44 Niveau d’Hélium dans le séparateur de phase H58 (fil de Manganin) PT Capteur de pression Yokogawa (différentiel) Sondes de température (GR-200-A-2500) LT1 Chaufferette H24 Venturi 0.07 m - 0.3 m - 0.53 m - 0.76 m - 0.90 m -

6 6 Dapnia SACM Coefficients d’échange

7 7 Dapnia SACM Courbe d’ébullition en convection forcée TpTp a b’ c’’ T sat T DEN T ENT c’ q (W/m 2 ) b c f d’ d e Convection forcée en liquide seul Ebullition nucléée partielle Ebullition complètement développée CV EN Écoulement

8 8 Dapnia SACM Méthodes de superposition Chen (1966) h TP =Fh CV +Sh EN Rohsenow (1949) h TP =h CV +h EN Kutateladze (1969) h TP =[(Fh CV ) n +(Sh EN ) n ] 1/n Simple additive modelPower additive model Ex Gungor et Winterton (1986) Liu et Winterton (1991)→ n=2 Steiner et Taborek (1992)→ n=3 Différentes approches

9 9 Dapnia SACM Méthode de Rohsenow-Bergles (D = 0.014 m) q EN = C (T p -T sat ) n, n = 3 q CV = h l (T p -T f ) Zone de transition :

10 10 10 Dapnia SACM Application de la méthode de Kutateladze h TP =[(Fh CV ) 3 + (Sh EN ) 3 ] 1/3 Avec : F et S sont respectivement les coefficients d’amplification et de suppression proposés par Steiner (1986) h CV et h EN sont respectivement les coefficients d’échange thermique en convection forcée monophasique et en ébullition nucléée.

11 11 11 Dapnia SACM Application de la méthode de Kutateladze D=0,014 m D=0,01 m

12 12 12 Dapnia SACM Flux critique

13 13 13 Dapnia SACM Flux critique

14 14 14 Dapnia SACM Flux critique Flux critique prédit par la corrélation de Monde (2002) et Shah (1987) Modèle proposé :

15 15 15 Dapnia SACM Modélisation de l’écoulement diphasique en circulation naturelle

16 16 16 Dapnia SACM Modélisation de l’ écoulement thermosiphon Section chauffée Section non-chauffée Tube descendant zdzd z sub q z z Ch z N.Ch

17 17 17 Dapnia SACM La résolution des équations d’écoulement nécessite la connaissance de α et Φ f0 Deux modèles Modèle homogène Modèle à phases séparées Modèle de Levy Modèle de Huq + Modèle de Friedel Modélisation de l’ écoulement thermosiphon

18 18 18 Dapnia SACM Modélisation de l’écoulement thermosiphon

19 19 19 Dapnia SACM Modélisation de l’écoulement thermosiphon

20 20 20 Dapnia SACM Application au refroidissement de l’aimant de CMS

21 21 21 Dapnia SACM Le refroidissement de l’aimant de CMS CMS Compact Muon Solenoid Détecteur de particules du Large Hardron Collider (CERN, Genève) Aimant supraconducteur –4 T, 4 K –7 m de diamètre et + 10 m de long Refroidi par une boucle en circulation naturelle –Aimant monolithe –Tubes externes –Refroidissement indirect de l’aimant Système déjà utilisé (Aleph) –Pas de données expérimentales –Modélisation de l’écoulement?

22 22 22 Dapnia SACM Boucle Thermosiphon Multibranches

23 23 23 Dapnia SACM Modélisation de l’écoulement thermosiphon multibranches

24 24 24 Dapnia SACM Position du problème: Modélisation de l’écoulement thermosiphon multibranches m Tot m6x6m6x6 m3x3m3x3 m4x4m4x4 m5x5m5x5 m1x1m1x1 m2x2m2x2 m7x7m7x7 p1p1 p 17 2345678 9101112131415 16

25 25 25 Dapnia SACM Modélisation de l’écoulement thermosiphon multibranches

26 26 26 Dapnia SACM Modélisation de l’écoulement thermosiphon multibranches

27 27 27 Dapnia SACM CONCLUSION

28 28 28 Dapnia SACM ÉTUDE D’ ÉCOULEMENT D’HÉLIUM DIPHASIQUE EN CIRCULATION NATURELLE Aspect hydrodynamique Aspect Thermique 1. Établir une relation entre le débit massique et le flux de chaleur 2. Déterminer la loi de comportement de C f 1. Les lois d’échange thermique : h TP 2. Flux critique DÉVELOPPEMENTS EN COURS: Capteur à absorption d’électrons pour mesurer le taux de vide; Système de visualisation par endoscope. Conclusion