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Modélisation des phénomènes thermo-hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur

Modélisation des phénomènes thermo-hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur . Exposé du stage de Guillaume Aubard. Le projet Neurospin. Objectif Repousser les limites de l’imagerie médicale en utilisant des systèmes de RMN à très hauts champs magnétiques

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Modélisation des phénomènes thermo-hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur

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Presentation Transcript


  1. Modélisation des phénomènes thermo-hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur Exposé du stage de Guillaume Aubard - Guillaume Aubard – Modélisation des phénomènes thermo hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur.

  2. Le projet Neurospin Objectif Repousser les limites de l’imagerie médicale en utilisant des systèmes de RMN à très hauts champs magnétiques Réalisation d’une plate forme technique équipée de 4 systèmes de RMN: Deux systèmes de 3 et 11,7 T (étude clinique sur l’homme) Un système de 11,7 T (étude pré-clinique sur le primate) Un système de 17 T (étude pré-clinique sur le petit animal) - Guillaume Aubard – Modélisation des phénomènes thermo hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur.

  3. Bobine de compensation Ecran 60 K Bobine centrale Enceinte He II 1,8 K/1 atm Le projet Iseult Objectif Concevoir un aimant de 11,7 T à grande ouverture destiné aux études sur l’homme en utilisant la technologie du Niobium-Titane. - Guillaume Aubard – Modélisation des phénomènes thermo hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur.

  4. La station expérimentale Seht Objectif Mettre au point une station expérimentale à partir d’une bobine en Nb-Ti existante tester les solutions adoptées pour Iseult Caractéristiques - Solénoide formé d’un empilement de doubles galettes - Diamètres interne/externe : 371 mm/543,5 mm - Refroidissement à l’hélium - Fonctionnement à 1,2 Bar et 1,8 K - Champ maximal : 8 T - Guillaume Aubard – Modélisation des phénomènes thermo hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur.

  5. Organisation de l’exposé I – Problématique du quench des aimants supraconducteurs refroidis en bain II – Modélisations préliminaires (modèle à 2 volumes) III – Simulation numérique par le code Vincenta IV – Conclusion et perspectives - Guillaume Aubard – Modélisation des phénomènes thermo hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur.

  6. I – Problématique du quench des aimants supraconducteurs refroidis en bain I – Problématique du quench II – Modélisations préliminaires III – Simulation numérique par le code Vincenta IV – Conclusion et perspectives - Guillaume Aubard – Modélisation des phénomènes thermo hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur.

  7. J [A/m²] Résistivité [Ω.m] T [K] B [T] Température [K] Caractéristiques principales I – a) les supraconducteurs I – Problématique du quench II – Modélisations préliminaires III – Simulation numérique par le code Vincenta IV – Conclusion et perspectives Surface critique du Nb-Ti - Guillaume Aubard – Modélisation des phénomènes thermo hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur.

  8. I – b) l’hélium I – Problématique du quench II – Modélisations préliminaires III – Simulation numérique par le code Vincenta IV – Conclusion et perspectives Propriétés - Pas de point triple - Différents états: He normal (He I) He gaz Hélium superfluide (He II) en dessous de 2,2 K - Zones critiques: Point critique (5,2 K; 2,27 Bar) Courbe de saturation Diagramme des phases de l’hélium - Guillaume Aubard – Modélisation des phénomènes thermo hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur.

  9. Galette de conducteur Canal d’hélium I – c) Le phénomène de quench I – Problématique du quench II – Modélisations préliminaires III – Simulation numérique par le code Vincenta IV – Conclusion et perspectives • Phénomène de quench: • Dissipation d’énergie par effet Joule dans le conducteur • et transfert par convection à l’hélium • Propagation de la zone normale dans le conducteur, et • montée en température et en pression de l’hélium • - Couplage par la puissance échangé  thermo hydraulique de l’hélium - Guillaume Aubard – Modélisation des phénomènes thermo hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur.

  10. I – d) Objectifs du stage I – Problématique du quench II – Modélisations préliminaires III – Simulation numérique par le code Vincenta IV – Conclusion et perspectives Étude des transitoires hydrauliques provoqués par des dépôts rapides de chaleur ou des ouvertures d’organes de sécurité. Estimation de lapertinence d’utiliser Vincenta pour calculer la montée en pression en cas de quench. Mise au point d’un outil numérique qui sera un support pour l’exploitation des résultats expérimentaux de Seht. - Guillaume Aubard – Modélisation des phénomènes thermo hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur.

  11. II- Modélisations préliminaires I – Problématique du quench II – Modélisations préliminaires III – Simulation numérique par le code Vincenta IV – Conclusion et perspectives - Guillaume Aubard – Modélisation des phénomènes thermo hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur.

  12. Processus physique Le volume V1 = cte est chauffé uniformément ; le volume V2 = cte est le bain d’hélium liquide. II– Modèle à 2 volumes « Chauffe Bain » La masse m1 contenu dans le volume V1 est chauffée : I – Problématique du quench II – Modélisations préliminaires III – Simulation numérique par le code Vincenta IV – Conclusion et perspectives Le volume V1 se dilate dans V2 : La masse contenue dans V2 est comprimée adiabatiquement et monte en pression : Hypothèses simplificatrices La température T2 est supposée uniforme et est calculée comme la température de mélange du volume V2 : mélange entre la masse m2 comprimée et la masse chauffée dm2 qui y est introduite. - Guillaume Aubard – Modélisation des phénomènes thermo hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur.

  13. II– Modèle à 2 volumes « Chauffe Bain » I – Problématique du quench II – Modélisations préliminaires III – Simulation numérique par le code Vincenta IV – Conclusion et perspectives Seht Avec a = Vchauffé/Vtotal - Guillaume Aubard – Modélisation des phénomènes thermo hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur.

  14. II– Modèle à 2 volumes « Chauffe Bain » I – Problématique du quench II – Modélisations préliminaires III – Simulation numérique par le code Vincenta IV – Conclusion et perspectives Conclusion Pour un point de fonctionnement donné, les montées en pression et température ne dépendent que du paramètre a= Vchauffé/Vtotal et de l’énergie déposée par unité de volume chauffé - Guillaume Aubard – Modélisation des phénomènes thermo hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur.

  15. III – Simulation numérique par le code Vincenta I – Problématique du quench II – Modélisations préliminaires III – Simulation numérique par le code Vincenta IV – Conclusion et perspectives - Guillaume Aubard – Modélisation des phénomènes thermo hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur.

  16. Vincenta simule des processus thermo-hydrauliques transitoires dans des aimants supraconducteur refroidi par convection forcéeenhélium normalethélium gaz III – a) Présentation du code Vincenta I – Problématique du quench II – Modélisations préliminaires III – Simulation numérique par le code Vincenta IV – Conclusion et perspectives il s’agit d’un assemblage en réseau de différents composants (canaux, pompes, vannes, échangeurs, réservoirs d’hélium liquide…) pouvant être couplés hydrauliquement et thermiquement - Guillaume Aubard – Modélisation des phénomènes thermo hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur.

  17. Conducteur Canal d’hélium Modèle 1-D : équation de la chaleur + propriétés thermiques des matériaux + lois critiques du supraconducteur Modèle 1-D : équations de conservation de la masse, de la quantité de mouvement et de l’énergie + propriétés thermodynamiques de l’hélium III – a) Présentation du code Vincenta I – Problématique du quench II – Modélisations préliminaires III – Simulation numérique par le code Vincenta IV – Conclusion et perspectives • Résolution numérique: • Schéma aux différences finies pour la variable x • Système d’équations différentielles résolu par la méthode de Runge Kutta d’ordre 4 - Guillaume Aubard – Modélisation des phénomènes thermo hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur.

  18. Enceinte de l’aimant Système de refroidissement III – b) Modélisation de la station Seht I – Problématique du quench II – Modélisations préliminaires III – Simulation numérique par le code Vincenta IV – Conclusion et perspectives - Guillaume Aubard – Modélisation des phénomènes thermo hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur.

  19. III – b) Modélisation de la station Seht I – Problématique du quench II – Modélisations préliminaires III – Simulation numérique par le code Vincenta IV – Conclusion et perspectives - Guillaume Aubard – Modélisation des phénomènes thermo hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur.

  20. III – c) Mise au point du numérique sur le schéma hydraulique de référence: définition du cas de référence I – Problématique du quench II – Modélisations préliminaires III – Simulation numérique par le code Vincenta IV – Conclusion et perspectives Schéma hydraulique de référence Vanne non prise en compte en raison de difficultés numériques Rapport Vchauffé/Vtotal de 0,0974 Pulse de référence: énergie totale déposée dans le canal 1: 0,6 MJ soit 54 MJ/m3 - Guillaume Aubard – Modélisation des phénomènes thermo hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur.

  21. III – c) Mise au point du numérique sur le schéma hydraulique de référence: analyse desrésultats I – Problématique du quench II – Modélisations préliminaires III – Simulation numérique par le code Vincenta IV – Conclusion et perspectives - Guillaume Aubard – Modélisation des phénomènes thermo hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur.

  22. III – c) Mise au point du numérique sur le schéma hydraulique de référence: analyse desrésultats I – Problématique du quench II – Modélisations préliminaires III – Simulation numérique par le code Vincenta IV – Conclusion et perspectives - Guillaume Aubard – Modélisation des phénomènes thermo hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur.

  23. III – c) Mise au point du numérique sur le schéma hydraulique de référence: validation des résultats I – Problématique du quench II – Modélisations préliminaires III – Simulation numérique par le code Vincenta IV – Conclusion et perspectives - Guillaume Aubard – Modélisation des phénomènes thermo hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur.

  24. III – c) Mise au point du numérique sur le schéma hydraulique de référence: comparaison avec le modèle Chauffe Bain I – Problématique du quench II – Modélisations préliminaires III – Simulation numérique par le code Vincenta IV – Conclusion et perspectives Modification du profil de la puissancedéposéeà énergie totale constante résultats identiques - Guillaume Aubard – Modélisation des phénomènes thermo hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur.

  25. III – d) Bobinage localement chauffé (sans passage en diphasique): présentation de la modélisation adoptée I – Problématique du quench II – Modélisations préliminaires III – Simulation numérique par le code Vincenta IV – Conclusion et perspectives Schéma hydraulique considéré • - Chauffe de 70 canaux sur 119 • - Rapport Vchauffé/Vtotal de 0,058 • -Couplage thermique des 70 canaux avec un conducteur • Conservation de la valeur de Q/Vchauffé - Pas de couplage des canaux non chauffés - Guillaume Aubard – Modélisation des phénomènes thermo hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur.

  26. III – d) Bobinage localement chauffé (sans passage en diphasique): analyse des résultats I – Problématique du quench II – Modélisations préliminaires III – Simulation numérique par le code Vincenta IV – Conclusion et perspectives Influence du couplage des canaux non chauffés - Guillaume Aubard – Modélisation des phénomènes thermo hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur.

  27. III – e) Introduction de la vanne de sécurité Comportement théorique: - Modèle en rampe (paramétrage pente et ouverture maximale) - Ouverture pilotée par la différence de pression entre les volumes connectés Résultats: - Régulation de la pression - Discontinuités de température I – Problématique du quench II – Modélisations préliminaires III – Simulation numérique par le code Vincenta IV – Conclusion et perspectives - Guillaume Aubard – Modélisation des phénomènes thermo hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur.

  28. Diminution du rapport Vchauffé/Vtotal : diminution du nombre de canaux chauffés ou augmentation du volume total III – f) Fonctionnement de Vincenta dans le domaine diphasique: présentation de la modélisationadoptée I – Problématique du quench II – Modélisations préliminaires III – Simulation numérique par le code Vincenta IV – Conclusion et perspectives Schéma hydraulique considéré Résultats: Discontinuités des températures à l’approche de la courbe de saturation dues à l’asymétrie des volumes V1 et V2 - Guillaume Aubard – Modélisation des phénomènes thermo hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur.

  29. Simplification de la géométrie du circuit: Modèle type 2 volumes III – f) Fonctionnement de Vincenta dans le domaine diphasique: présentation de la modélisationadoptée I – Problématique du quench II – Modélisations préliminaires III – Simulation numérique par le code Vincenta IV – Conclusion et perspectives Schéma hydraulique considéré • - Rapport Vchauffé/Vtotal = 0,00633 (équivalent à 12 canaux chauffés sur 119 pour le cas de référence) • -Couplage thermique des 119 canaux avec un conducteur • Conservation de la valeur de Q/Vchauffé - Guillaume Aubard – Modélisation des phénomènes thermo hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur.

  30. III – f) Fonctionnement de Vincenta dans le domaine diphasique: analyse des résultats I – Problématique du quench II – Modélisations préliminaires III – Simulation numérique par le code Vincenta IV – Conclusion et perspectives - Guillaume Aubard – Modélisation des phénomènes thermo hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur.

  31. IV – Conclusion et perspectives I – Problématique du quench II – Modélisations préliminaires III – Simulation numérique par le code Vincenta IV – Conclusion et perspectives - Guillaume Aubard – Modélisation des phénomènes thermo hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur.

  32. Mise en évidence des paramètres caractéristiques de l’étude Vchauffé/Vtotal et Q/Vchauffé • Capacités et limites de Vincenta - difficultés liées à l’introduction de la vanne et au passage en diphasique - prise en compte de la gravité et chauffage localisé à tester I – Problématique du quench II – Modélisations préliminaires III – Simulation numérique par le code Vincenta IV – Conclusion et perspectives - Guillaume Aubard – Modélisation des phénomènes thermo hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur.

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