The use of check valves in the nuclear industry is of great importance from a safety precaution point ofview (McElhaney, 1995). Choosing check valves for these high-pressurized systems comes with agreat challenge. The valves causes what is called check valve slams when closing, leading to a hugepressure wave traveling through the system. To prevent this from happening calculations have to bedone to see what kind of forces are generated during a check valve slam. When the forces are known itis easier designing systems that will endure these slams. A commonly used software in the nuclearindustry is RELAP5 (Reactor Excursion and Leak Analysis Program), its main purpose is to calculatetransients in piping systems. This program can also be used when calculating a check valve slam. Buthow precise is the code compared to the real event? By doing an experiment measuring pressures created by swing check valves during slams, the codewas compared to real data and analyzed to decide what was of importance when modeling for thesetypes of simulations. The RELAP5 code was not initially designed to calculate transients during a check valve slam. This isclearly shown when the code overestimates the pressure waves in the system when using themanufacturer data for the check valve model. Matching the data from the simulations in RELAP5 withthe data recorded from the experiment is not easy. The parameters used for this have no connection tothe specifications for the check valve, which means that transients are hard to estimate withoutexperimental data.

La cavitation peut avoir lieu dans les turbines hydrauliques. Ce phénomène se produit lorsque les bulles de vapeur s’effondrent à proximité de la surface de la machine. Ceci entraîne des conséquences négatives, telles que l’érosion, affectant ainsi les performances de la machine. L’effondrement d’une bulle de gaz non-condensable dans l’eau est simulé en utilisant la méthode sans maillage SPH-ALE, qui intègre un modèle pour simuler les écoulements compressibles et multiphases. Le modèle résout les équations de conservation de masse, de quantité de mouvement et d’énergie du système d’Euler, en utilisant l’équation d’état de Stiffened Gas pour l’eau et l’équation d’état de gaz parfait pour le gaz non-condensable à l´ıntérieur de la bulle. Les deux phases sont modélisées comme compressibles et le changement de phase n’est pas considéré. La caractéristique sans maillage de la méthode SPH-ALE permet le calcul des écoulements diphasiques où l’interface est nettement définie. Pour les applications de cavitation, où le nombre de Mach atteint des valeurs de 0.5, la distribution de particules doit être corrigée. Cela est réalisé grâce à la fonctionnalité ALE. Le modèle compressible a été validé à l’aide de configurations monodimensionnelles, comme le cas du tube à choc pour des écoulements monophase et multiphases. L’effondrement de la bulle près d´une paroi a été abordé comme le mécanisme fondamental qui produit des dégâts. Son comportement général se caractérise par la formation d’un micro jet d’eau et par l’effondrement de la bulle sur elle-même. Le phénomène est analysé en tenant compte des principaux paramètres qui le régissent, comme la distance initiale entre le centre de la bulle et la paroi (H0), la taille de la bulle (R0) et le taux de pression qui entraîne l’effondrement (pw/pb). Il est démontré que l’intensité de l’effondrement dépend principalement du rapport de pression entre le liquide et la bulle (pw/pb). De plus, quatre indicateurs, comme la pression en paroi, l’impulsion, la pression du coup de bélier et la vitesse du micro jet d’eau, servent à déterminer le chargement. Cette analyse indique qu’une bulle initialement située à une distance inférieure à H0/R0 = 2 présente un haut potentiel d’endommagement. Afin de prédire cet endommagement, la mécanique du solide est analysée à l’aide de simulations d’interaction fluide-structure. On obtient que le matériau réagit aux charges hydrauliques en ayant des zones de compression et de traction. Ceci suggère qu’un mécanisme de fatigue entraîne le phénomène d’endommagement. En plus, on constate que les contraintes les plus importantes sont situées sous la surface du matériau, indiquant que cette zone peut être sujette à une déformation plastique. / Hydraulic turbines can experience cavitation, which is a phenomenon occurring when vapor bubbles collapse in the vicinity of the machine’s surface. This phenomenon can lead to negative consequences, such as erosion, that affect the machine’s performance. The compression of a non-condensable gas bubble in water is simulated with the Smoothed Particle Hydrodynamics method following the Arbitrary Lagrange Euler approach (SPHALE), where a compressible and multiphase model has been developed. The model solves the mass, momentum and energy conservation equations of the Euler system using the Stiffened Gas EOS for water and the ideal gas EOS for the non-condensable gas inside the bubble. Both phases are modeled as compressible and the phase change is not considered. The meshless feature of the SPH-ALE method allows the calculation of multiphase flows where the interface is sharply defined. For cavitation applications, where the Mach number reaches values of 0.5, the distribution of particles must be corrected, which is achieved by the ALE feature. The compressible model was validated through monodimensional configurations, such as shock tube test cases for monophase and multiphase flows. The bubble compression close to the wall has been addressed as the fundamental mechanism producing damage. Its general behavior is characterized by the formation of a water jet and by the collapse of the bubble by itself. The phenomenon is analyzed by considering the major parameters that govern the bubble collapse dynamics, such as the initial distance between the bubble center and the wall (H0), the bubble size (R0), and the collapse driven pressure ratio (pw/pb). It is shown that the intensity of the collapse depends mainly on the pressure ratio between the liquid and the bubble (pw/pb). As well, four indicators, such as the pressure at the wall, the impulse, the water-hammer pressure and the water jet velocity, are used to determine the loading. This analysis gives that the bubble initially located at a distance lower than H0/R0 = 2 presents high potential to cause damage. In order to predict the damage due to the bubble collapse, the solid mechanics is analyzed through fluid-structure interaction simulations. It is obtained that the material reacts to the hydraulic loads by having compression and traction zones, suggesting that a fatigue mechanism drives the damage phenomenon. Additionally, it is found that the highest stresses are located below the material surface, indicating that this zone may reach plastic deformation.

Ce manuscrit a pour but d'étudier un nouveau dispositif générateur de cavitation dont le potentiel favorable à l'intensification de réactions chimiques est évalué. Ce dispositif est constitué d'une plaque mobile qui frappe un liquide contenu dans un réacteur. L'impact génère une forte augmentation de pression dans le milieu suivi d'une dépressurisation. Nous montrons que la couche de gaz/vapeur piégée entre le piston et la surface du liquide influence les pics de pression et les fréquences générées dans le milieu. La visualisation à l'aide d'une caméra rapide montre que la dépressurisation active les sites de nucléation à l'origine des bulles de cavitation qui grandissent et implosent en générant occasionnellement des jets de grande vitesse. Nous étudions aussi la réponse de bulles préexistantes. Nous identifions un rayon de bulle critique qui dépend de la hauteur d'impact, de la pression extérieure et des caractéristiques du piston. Les bulles dont le rayon initial est supérieur à la valeur critique implosent au moment de l'impact, tandis que les petites bulles ne sont activées qu'après (sous tension). Des évolutions de pression différentes sont observées après l'impact en fonction de la présence/absence de grandes bulles. Nous étudions enfin l'oxydation du phénol en montrant que l'impact sur l'eau pure est incapable de générer des espèces radicalaires responsables de la dégradation. En ajoutant du peroxyde d'hydrogène comme oxydant, la molécule est décomposée sous certaines conditions. En général, la quantité d'oxydant requise pour déclencher une oxydation significative diminue lors de l'augmentation de l'intensité de l'impact sur lequel dépend le taux de dégradation. / This manuscript aims at characterizing a new device based on a plate impact on a liquid surface to generate cavitation and evaluate its potential to induce chemical reactions. The device is composed of a reactor containing a liquid that a piston hits due to pressure difference. This impact generates a strong and uniform pressure increase in the medium followed by a depressurization. We show that the gas/vapor layer trapped between the piston and the liquid free surface influences the pressure peaks and frequencies generated in the medium. High-speed camera visualization shows that depressurization activates nucleation sites leading to bubble appearance in the solution. Bubbles expand and collapse intensively generating high velocity jets under some conditions. We also investigate the response of pre-existing bubbles. We identify a critical bubble radius that depends on the impact height, external pressure and piston’s characteristics. Bubbles with an initial radius larger than the critical one collapse at the moment of impact while smaller bubbles are only activated after it (under tension). Significant differences are observed in the pressure recordings after the impact depending on the presence/absence of large bubbles. We finally study the oxidation of phenol. We show that impacting on pure water is incapable of generating radical species responsible of the degradation. By adding hydrogen peroxide as an oxidant we show that the molecule is decomposed under certain conditions. In general, the amount of hydrogen peroxide required to initiate a significant oxidation decreases when increasing the intensity of the impact on which the degradation rate mainly depends.

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