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Démarche de validation numérique de chocs thermiques dans un robinet

S. Meunier, J. Ferrari, J.-F. Rit, D. Hersant, J.-P. Mathieu (EDF / R&D / MMC)

Contexte

Dans le cadre d’un partenariat entre EDF et VELAN, fabricant de robinets, un essai sur un robinet à maintenance allégée très instrumenté a été réalisé en 2015 sur la boucle thermo-hydraulique CYTHERE du site EDF Lab des Renardières, dans des conditions similaires à un essai de qualification. L’expérience consiste en une succession de chocs thermiques alternés provoqués par le passage d’eau sous pression. Il résulte de cet essai une quantité importante de données, telles que des températures, des efforts de serrage dans des goujons, des mesures d’ouverture de la bride corps-chapeau et de déformations résiduelles.

L’objectif de l’étude est de comparer les données obtenues lors de l’essai et les résultats des simulations numériques multiphysiques. Les accords seront les éléments de validation, les désaccords indiqueront les limites de nos modèles et outils de calcul.

Le robinet et la campagne expérimentale

Le robinet étudié est un prototype à soupape avec une cage et un siège amovibles (voir Fig. 1). Douze goujons régulièrement espacés assurent l’étanchéité de la bride corps-chapeau. La figure 2 présente les différentes pièces considérées dans la simulation avec un zoom sur le corps et la bride. L’eau circule et s’infiltre dans les jeux entre le corps et la cage et entre la cage et le revêtement d’obturateur, remplissant un espace plus large d’eau non circulante entre le chapeau et le soufflet. Un isolant thermique couvre la partie inférieure du robinet et la partie supérieure est laissée à l’air libre.
Le robinet est placé sur la cellule d’essais de la boucle CYTHERE et soumis à des chocs thermiques alternés. Un choc thermique alterné se décompose ainsi : on fait circuler à travers le robinet à l’état d’équilibre chaud de l’eau froide (60°C), on attend quelques heures l’état d’équilibre froid, puis on fait circuler de l’eau chaude (285°C) et on attend l’état d’équilibre chaud. Quatorze chocs thermiques alternés ont été réalisés durant cette campagne. Entre certains chocs, le robinet a été démonté pour mesurer les déformations des pièces internes.

Figure 1 : Photo du robinet étudié (gauche) et ses différentes pièces dans la modélisation numérique (droite)

Le robinet est équipé de 37 thermocouples répartis sur toute sa hauteur pour suivre l’évolution de la température. Les douze goujons de la bride corps-chapeau sont instrumentés avec des thermocouples et des jauges de déformation pour suivre l’évolution des efforts.

Figure 2 : Schéma de l’intérieur du robinet en position ouverte

Simulation numérique

La simulation numérique consiste à enchaîner trois simulations : mécanique des fluides avec Code_Saturne, thermique et mécanique avec code_aster. On s’intéresse ici à un unique choc alterné. La simulation fluide fournit deux cartes de coefficients d’échanges thermiques de l’eau en paroi du robinet, une pour le choc froid et une pour le choc chaud. Ces cartes sont ensuite utilisées comme des conditions aux limites pour le calcul thermique. Le calcul thermique fournit le transitoire de température sur l’ensemble du robinet, qui est ensuite utilisé dans le calcul mécanique pour évaluer les contraintes et les déformations dans les différentes pièces.

Le maillage thermique est composé de 3,3 millions de tétraèdres linéaires et est raffiné au contact de la veine fluide. Le transitoire est composé de 370 pas de temps. La résolution nécessite 2 heures sur 8 processeurs du cluster aster5 avec 8 Go par processeur.

Le maillage mécanique linéaire est composé d’hexaèdres (200 000), sauf le corps qui est maillé en tétraèdres (300 000) à cause de sa forme complexe. La discrétisation temporelle est choisie de sorte à évaluer correctement la quantité d’intérêt (ici le serrage des goujons), ce qui conduit à 146 pas de temps pour un choc alterné. La modélisation du contact unilatéral entre pièces produit 5500 nœuds esclaves et conduit à un système linéaire final de 1 million d’équations. La résolution nécessite 7 heures sur 12 processeurs avec 11 Go par processeur en élasticité.

Résultats de la comparaison simulation et expérimental

Deux modélisations ont été étudiées. La première a été construite avant la campagne expérimentale alors que la deuxième a été réalisée pour corriger un défaut identifié de la première simulation : elle ne capturait pas les variations d’efforts dans les goujons. La seconde simulation diffère principalement par l’ajout de conditions aux limites d’échange convectif dans le jeu entre le corps et la cage. La Figure 3 montre les champs de température au choc froid, à l’instant t=350 s, quand l’effort dans les goujons calculé par la seconde simulation est minimal. On constate qu’avec la modélisation 1, le choc provient du bas, il passe à travers les goujons et le chapeau au même moment. Avec la modélisation 2, le choc provient de l’intérieur, à travers le jeu corps-cage et impacte directement le chapeau avant d’atteindre les goujons. Cela crée un retard de dilatation thermique entre les goujons et le chapeau, qui mène à un desserrage durant le choc froid et à un sur-serrage durant le choc chaud (Figure 4).

Figure 3 : Profils de température lors du choc froid avec la simulation 1 (à gauche) et avec la simulation 2 (à droite) à l’instant de desserrage maximal

En conclusion, les conditions d’échange thermique dans les jeux entre les pièces sont essentielles pour la validité du calcul d’efforts dans les goujons de la bride corps-chapeau. La suite de ce travail est d’exploiter les mesures de déformation du corps et des internes. Ceci nécessite d’enchaîner plusieurs chocs avec une prise en compte de la plasticité.

Figure 4 : Evolution de l’effort moyen dans les goujons pour un choc froid (à gauche) et un choc chaud (à droite)