One-dimensional modelling of the behaviour of a rotodynamic pump in normal and accidental operation
Modélisation unidimensionnelle du comportement d’une pompe rotodynamique en fonctionnement normal et accidentel.
Résumé
Conversion of mechanical energy into pressure inside a fluid -or inversely-, is necessary in numerous industries: transport, electricity production, air circulation... Rotating machineries are often used in these frames. They are constituted of at least one bladed rotating part giving energy to the fluid (the impeller) and connected to a shaft, which is entrained by a motor in the case of a pump. The design method of such turbomachines has evolved from the begining of the last century to these days. Nowadays Computational Flow Dynamics (CFD) local scale computations are used to optimize the pump components. Local simulation allows to obtain information on what is happening inside the machine in three dimensions. However, qualification of the local results of such simulations remains a challenge, mostly due to constraints on experimental technics. Additionally, computation cost of such local simulations is heavy even at the scale of the machine alone. That hardly allows the simulation of transient scenarii on whole and complex systems such as a reactor, which are studied in the frame of nuclear safety in particular. And even more when uncertainty propagation studies are intended, which involve a large number of simulations. In such a context, a model of an intermediate scale -between the global study of the machine using velocity triangles and local CFD computations- has been developed during this PhD thesis. The proposed approach consists in considering a mean stream line that is adopted by the flow inside each part of the machine, associated to a one-dimensional (1D) meshing. By defining main geometrical characteristics of the machine, it can predict its performances in terms of pressure rise and energy given to the fluid. Several turbomachines have been modelled using this 1D model: centrifugal pumps, mixed flow pumps and a radial compressor. Various working fluids have been simulated, such as water, liquid metal sodium and air non-condensable gas. Single-phase and two-phase flow regimes have been represented in those machines in steady and transient conditions. The model is able to predict performances of machines of various geometries in steady single-phase conditions with a relative error globally less than 15% for a large range of flow rates. The model allows also to detect the occurrence of cavitation for a centrifugal pump in various conditions of flow rate. It catches also pump fast startup transient dynamics in single-phase conditions. It subsists numerical difficulties when simulating the same transient in cavitating conditions. A pump modelled as described here can be included into the modelling of closed experimental loops or complex facilities such as nuclear reactors. This work opens up new possibilities to study accidental transient in the frame of safety analysis. Intented application prospects of the model are the modelling of turbines or multi-stage machines and the use of other fluids.
La conversion de l’énergie mécanique en énergie de pression (transportée par un fluide) -ou inversement-, est nécessaire dans de nombreux domaines de l’industrie : transport, production d’électricité, ventilation... Pour cela, des machines tournantes sont très souvent utilisées. Dans le cas des pompes, elles sont constituées d’au moins une partie rotative contenant des aubes transmettant l’énergie au fluide (la roue), laquelle est liée à un arbre, lui-même mis en rotation par un moteur. La méthode de design de telles machines a évolué depuis le début du siècle dernier jusqu’à aujourd’hui. De nos jours, les composants sont optimisés par l’utilisation de calculs numériques à l’échelle locale de type Computational Flow Dynamics (CFD). La simulation à l’échelle locale apporte des informations sur l’écoulement à l’intérieur des éléments de la machine tournante en trois dimensions. Toutefois, la qualification locale des résultats de calcul à l’échelle CFD reste un challenge, notamment en termes de techniques de mesures expérimentales. Par ailleurs, les temps de calcul sont conséquents même à l’échelle de la machine seule, ce qui permet difficilement la simulation de scénarii transitoires accidentels longs à l’échelle d’un réacteur entier, lesquels sont étudiés dans le cadre de la sûreté nucléaire en particulier. Et d’autant plus s’il est nécessaire de réaliser un grand nombre de calculs (études de propagation d’incertitudes). Dans ce contexte, un modèle d’une échelle intermédiaire entre l’étude globale de la machine par les triangles des vitesses et la modélisation CFD a été développé au cours de cette thèse. L’approche choisie consiste à considérer une ligne de courant moyenne adoptée par l’écoulement dans chaque partie de la pompe et un maillage unidimensionnel (ie. 1D) le long de cette ligne. Il permet, par la description géométrique de la pompe, de prédire ses performances (pression produite, énergie transmise au fluide). Plusieurs machines tournantes ont pu être représentées avec le modèle 1D développé : des pompes centrifuges et hélico-centrifuges et un compresseur. Différents fluides ont été simulés (eau, sodium, air). Des régimes d’écoulement monophasiques et diphasiques dans ces machines ont été représentés lors de calculs permanents et transitoires. Le modèle est capable de prédire les performances de machines de géométries variées en conditions monophasiques quasi-stationnaires avec une erreur relative maximale de l’ordre de 15% sur une large gamme de débit. Le modèle permet également de détecter l’occurrence de la cavitation pour une pompe centrifuge à différentes conditions de débit. Il est capable de prédire la dynamique d’un transitoire de démarrage rapide d’une pompe centrifuge en conditions monophasiques. Il subsiste des difficultés numériques lors de la simulation d’un transitoire comparable où un régime de cavitation s’installe dans la roue de la pompe. Une pompe ainsi modélisée peut être intégrée à la modélisation d’une installation complexe telle qu’un réacteur nucléaire. Ceci ouvre des possibilités en termes d’études de transitoires accidentels dans le cadre d’études de sûreté. Les perspectives d’application du modèle envisagées sont la modélisation des turbines ou de machines multi-étagées et la simulation d’autres fluides.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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