1 Défi NEEDS PEMNa : Analyse expérimentale et numérique du comportement électromagnétique des pompes à induction Bilan des activités au cours de l’année.

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1 1 Défi NEEDS PEMNa : Analyse expérimentale et numérique du comportement électromagnétique des pompes à induction Bilan des activités au cours de l’année 2014-2015 Paris 7/01/2016 Prof. L. Buligins University of Latvia/IPUL, encadrant de thèse Prof. Y. Fautrelle Grenoble INP/SIMAP, encadrant de thèse Dr. Y. Duterrail Ingénieur informatique SIMAP/G-INP Drs. S. Letout, C. Courtessole Post-Doc SIMAP Drs. C. Biscarrat, F. Rey, G. Laffont, F. Dechelette, S. Vitry : Ingénieurs CEA-Cadarache PhD. L. Goldšteins thèse en co-tutelle U. of Latvia/Grenoble INP

2 1.Contexte et objectifs de l’étude 2.T 1: détermination des caractéristiques nominales d’une PEM-ALIP 3.T 2: analyse des instabilités MHD et des transitoires 4.T 3: formation des ingénieurs CEA 5.Conclusions and perspectives 2 Sommaire :

3 3 Contexte : projet ASTRID-PEMNa *Annular Linear Induction Pump (GEN IV SFR Advanced Sodium Technological Reactor for Industrial Demonstration) Partenaires : CEA-AREVA-EDF / IPUL, SIMAP-G-INP, ENS Lyon-Paris, HZ Dresden Objectifs : conception/analyse des pompes électromagnétiques (PEM) destinée à équiper le circuit secondaire du réacteur SFR

4 4 Principe de la pompe annulaire à induction : +1 -2 +3 +2-3 r Wave length = 2 τ BrBr Fe Na z Induced eddy currents are: Electromagnetic force density: pôle Culasse magnétique conduit

5 5 Exemples de pompes EM : pompe TOSHIBA Pompe annulaire verticale à double effet (ALIP) ALIP in Ota et al. (2004)

6 6 Pompe CEA-PEMDyn : pompe intermédiaire d’étude -Validation des codes de calcul -Analyse des instabilités potentielles L ~ 2.2 m Φ ~ 0,8 m Na inlet Na outlet Q = 1500 m 3 /h Δp = 2.5 bar INDUCTOR

7 7 Taches prises en charge dans le projet PEMNa : INDUCTOR 1.Partie Recherche amont -Étude du fonctionnement d’une grande ALIP: -en régime nominal -étude des instabilités possibles -analyse de transitoires (démarrage, arrêt) -modélisation et expérimentations sur une pompe intermédiaire 2.Partie Recherche-développement -Dimensionnement de la TGP ASTRID -Analyse des transitoires 3. Volet Formation des personnels CEA

8 8 1. Volet Recherche amont : Problématique des grandes pompes : - nécessité de réaliser un couplage total Electromagnétique (COMSOL)-Hydrodynamique turbulent (FLUENT) - forte convection du champ par l’écoulement - confinement des forces dans les couches limites pariétales (dites de Hartmann)

9 9 Q = 1500 m /h 3 Δp = 2.5 bar INDUCTOR Start of experimental program: Q4 2015 Modélisation du régime nominal de la pompe PEMDyn 9 12 m/s Distribution des phases Distribution du champ magnétique et des forces de pompage dans le canal: Confinement des forces : effet Hartmann

10 10 INDUCTOR Modélisation du régime nominal de la pompe PEMDyn 10 Caractéristique calculée de la pompe : Pression de refoulement  p = f(U) Forme particulière en “cloche” ->source d’instabilité

11 1. Cut! 2. Unfold! Periodic boundaries φ z φ z r INLET OUTLET Etude des instabilités : l’instabilité azimutale Les variations azimutales du champ magnétique peuvent engendrer une instabilité de l’écoulement axial Démarche (thèse L. Goldsteins): - Analyse de stabilité linéaire des perturbations azimutales (effet des culasses magnétiques) - Modélisation numérique instationnaire

12 12 résultats de l’analyse de stabilité: -la branche descendante est stable -les instabilités consistent en fortes fluctuations Araseki et al. (2004) 2D φ-z model of ALIP Kirillov et al. (1980), Ota et al. (2004) Mesures de fluctuations de pression

13 13 NUM: v z, [m/s] NUM: |Bx|, [T] Flow strongly vortical all-over the channel Aperiodic oscillations of vz and |Bx| EXP: |Bx|, [T] Qualitative agreement maintained Modélisation numérique d’une FLIP: v et B

14 14 2. Volet développement : conception et modélisation de la pompe ASTRID Spécifications : Δp = 3.6 bar, Q = 7100 m 3 /h Travail à faire : - Choix de conception -Recherche de la fréquence optimale, puissances mise en jeu -Analyse de différents protocoles de démarrage

15 15 4.45 m Premier dimensionnement de la pompe : Pompe annulaire : longueur 4.45 m, diamètre total 1.4 m, 7 longueurs d’onde Puissance (hors les bobines) : 1341 kW Dimensionnement de la pompe Débit7140 m 3 /h Fréquence18,42 Hz Puissance Joule totale (bobines non comprises) 666 kW DP électromagnétique3,61 bar DP Hydraulique3,41 bar Puissance mécanique Pm675 kW Rendement de la pompe0.50 Schéma de la pompe Distribution du champ magnétique et des forces EM

16 16 Analyse de la pompe ASTRID Détermination des fréquence et intensité optimales pour les critères de stabilité, rendement Démarrage de la pompe par paliers de fréquence : apparition de surpressions

17 17 Volet Formation des personnels CEA à la modélisation MHD (année 2015) -Transfert au CEA du logiciel de couplage entre COMSOL (électromagnétisme) et ANSYS/FLUENT (hydrodynamique turbulente) – formation à l’utilisation (4jours) -Cours de base de Magnétohydrodynamique (MHD) avec focus sur les pompes électromagnétiques (16 heures)

18 Conclusions et perspectives 18 1.Les principaux mécanismes MHD ont été cernés 2.Un outil de couplage 2D-axi a été élaboré et fonctionne en automatique 3.Les instabilités 3D à l’intérieur de la pompe ont été bien comprises 4.Un pré-dimensionnement de la pompe ASTRID a été réalisé 5.Travail restant: - expérimentations sur PEMDyn et sur TESLA - modélisation 3D, comparaison avec PEMDyn

19 19 144 point magnetic field measurements fixed on inductor (grid y-z: 50 x 60 mm) Detailed measurements: View of the TESLA loop (IPUL)