Étude expérimentale et numérique du passage de bulles de gaz au travers d'une interface entre deux liquides
Romain Bonhomme a soutenu sa thèse le 19 octobre 2012 à Toulouse.
Dans le but de prédire l'évolution d'un accident de perte de réfrigérant primaire au sein d'un réacteur nucléaire à eau pressurisée, nous nous proposons au travers de cette étude de comprendre la dynamique de bulles de gaz évoluant dans un bain stratifié constitué de deux liquides superposés. C’est une situation que l’on peut rencontrer si l’accident évolue vers la fusion du cœur du réacteur et plus particulièrement dans la phase où le cœur en fusion serait au contact du béton du radier de l’enceinte de confinement.
Pour ce faire, un dispositif expérimental muni de caméras à haute cadence a été construit afin d'observer en détail la dynamique de bulles d'air isolées et de trains de bulles traversant une interface séparant deux liquides newtoniens immiscibles initialement au repos.
En faisant varier la taille des bulles injectées ainsi que les contrastes de viscosité entre les liquides d'un et quatre ordres de grandeur respectivement, ce dispositif a permis d'observer une grande variété de régimes d'écoulement. Dans certaines situations, les bulles de taille millimétrique restent piégées à l'interface liquide-liquide, tandis que les bulles plus grosses parviennent à traverser l'interface, entraînant une importante colonne de liquide lourd derrière elles.
Après que l'influence des paramètres physiques ait été qualitativement établie à la lumière de modèles simples, des simulations numériques de plusieurs situations sélectionnées ont été réalisées. Celles-ci ont été menées à partir de deux approches basées sur les équations de Navier-Stokes incompressibles, l'une utilisant une technique de capture d'interface, l'autre une description de type ‘’interface diffuse’’ de Cahn-Hilliard. Les comparaisons entre les résultats expérimentaux et numériques ont confirmé la fiabilité des prédictions numériques dans la plupart des cas, mais ont également souligné le besoin d'améliorer la capture de phénomènes physiques à petite échelle, en particulier ceux liés au drainage de film.