Laboratoire de Mécanique des Fluides et d'Acoustique - UMR 5509

LMFA - UMR 5509
Laboratoire de Mécanique des Fluides et d’Acoustique
Lyon
France


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Soutenance de thèse ECL

Amélie Simon

Mercredi 11 janvier 2017 - 14h - Amphithéâtre 1, Bâtiment Azur, EDF Lab Paris-Saclay

Modélisation et simulation des films liquides dans les turbines à vapeur

Jury :
Sergey Gavrilyuk - Université de Aix-Marseille, IUSTI - Referee
Michel Lance - École Centrale de Lyon, LMFA - Supervisor
Meryem Marcelet - EDF R\&D, Chatou - Co-supervisor
Christian Ruyer-Quil - Université de Savoie, LOCIE - Referee
Jacques Saint-Marie - INRIA Paris-Rocquencourt - Examiner
Markus Schatz - University of Stuttgart, ITSM - Examiner
Isabelle Trébinjac - École Centrale de Lyon, LMFA - President
Alexander White - University of Cambridge, Whittle laboratory - Examiner

Résumé
Dans la production d’électricité, un des leviers centraux pour réduire les détériorations et les pertes causées par l’humidité dans les turbines à vapeur est l’étude des films liquides. Ces films minces, sont crées par la déposition de gouttes et sont fortement cisaillés. Des gouttes peuvent ensuite être arrachées du film. A l’heure actuelle, aucun modèle complet et validé n’existe pour décrire ce phénomène. Un modèle 2D à formulation intégrale associé à des lois de fermetures a été dérivé pour représenter ce film. Comparé aux équations classiques de Saint-Venant, le modèle prend en compte davantage d’effets : le transfert de masse, l’impact des gouttes, le cisaillement à la surface libre, la tension de surface, le gradient de pression et la rotation. Une analyse des propriétés du modèle (hyperbolicité, entropie, conservativité, analyse de stabilité linéaire, invariance par translation et par rotation) est réalisée pour juger de la pertinence du modèle. Un nouveau code 2D est implémenté dans un module de développement libre du code EDF Code_Saturne et une méthode de volumes finis pour un maillage non-structuré a été développé. La vérification du code est ensuite effectuée avec des solutions analytiques dont un problème de Riemann. Le modèle, qui dégénère en modèle classique de Saint-Venant pour le cas d’un film tombant sur un plan inclinée, est validé par l’expérience de Liu and Gollub, 1994, PoF et comparé à des modèles de références (Ruyer-Quil and Manneville, 2000, EPJ-B et Lavalle, 2014, PhD thesis). Un autre cas d’étude met en scène un film cisaillé en condition basse-pression de turbine à vapeur et, est validé par l’expérience de Hammitt et al., 1981, FiI. Enfin, le code film est couplé aux données 3D du champ de vapeur autour d’un stator d’une turbine basse-pression du parc EDF, issues de Blondel, 2014, PhD. Cette application industrielle montre la faisabilité d’une simulation d’un film en condition réelle du turbine à vapeur.

Abstract

In the electricity production, one central key to reduce damages and losses due to wetness in steam turbines is the study of liquid films. These thin films are created by the deposition of droplets and are highly sheared. This film may then be atomized into coarse water. At the moment, no comprehensive and validated model exists to describe this phenomenon. A 2D model based on a integral formulation associated with closure laws is developed to represent this film. Compared to classical Shallow-Water equation, the model takes into account additional effect : mass transfer, droplet impact, shearing at the free surface, surface tension, pressure gradient and the rotation. The model properties (hyperbolicity, entropy, conservativity, linear stability, Galilean invariance and rotational invariance) has been analyzed to judge the pertinence of the model. A new 2D code is implemented in a free module of the code EDF Code_Saturne and a finite volume method for unstructured mesh has been developed. The verification of the code is then carried out with analytical solutions including a Riemann problem. The model, which degenerates into classical Shallow-Water equations for the case of a falling liquid film on a inclined plane, is validated by the experiment of Liu and Gollub, 1994, PoF and compared to reference models (Ruyer-Quil and Manneville, 2000, EPJ-B et Lavalle, 2014, PhD thesis). Another study depicts a sheared film under low-pressure steam turbine conditions and is validated by the experiment of Hammitt et al., 1981, FiI. Lastly, the code film is coupled to 3D steam data around a fixed blade of a BP100 turbine, from Blondel, 2014, PhD. This industrial application shows the feasibility of liquid film’s simulation in real steam turbine condition.

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