Dans de nombreux secteurs de l’industrie, des phénomènes transitoires rapides interviennent dans des scénarii accidentels. Dans le cadre de l’industrie nucléaire, on peut citer, par exemple, l’Accident de Perte de Réfrigérant Primaire dans lequel une onde de détente susceptible de provoquer la vaporisation du fluide primaire et d’engendrer des dégâts structuraux se propage dans le circuit primaire d’un Réacteur nucléaire à Eau Pressurisée. De nos jours, la simulation de ces phénomènes transitoires rapides repose majoritairement sur des algorithmes d’intégration temporelle « explicites » car ils permettent de traiter de manière robuste et efficace ces problèmes qui sont généralement fortement non-linéaires. Malheureusement, du fait des contraintes de stabilité imposées sur les pas de temps, ces approches peinent à calculer des régimes permanents. Face à cette difficulté, dans de nombreux cas, on néglige les grandeurs cinématiques et les contraintes internes de l’état stationnaire du système considéré au moment de la survenue du phénomène transitoire simulé.

Par ailleurs, les applications visées font intervenir des structures solides en interaction avec le fluide, qui subissent de grandes déformations et peuvent éventuellement se fragmenter. Une technique de frontières immergées dite MBM (Mediating Body Method [1]) récemment développée au CEA permet de traiter de manière performante et robuste des structures à géométrie complexe et/ou subissant de grandes déformations. Cependant, ce couplage entre le fluide et la structure solide n’a été pensé que dans le cadre de phénomène transitoire « rapides » traités par des intégrateurs en temps « explicites ».

Le sujet de thèse proposé a pour objectif final d’enchaîner un calcul d’un régime nominal suivi d’un calcul transitoire dans un contexte d’interaction fluide/structure-immergée. La phase transitoire du calcul repose nécessairement sur une intégration temporelle explicite et fait intervenir la technique d’interaction fluide/structure MBM. Afin de générer un minimum de perturbations numériques lors de la transition entre les régimes nominal et transitoire, le calcul du régime nominal devra se faire sur le même modèle numérique que le calcul transitoire, et donc s’appuyer également sur une adaptation de la méthode MBM.

Des travaux récents ont permis de déterminer une stratégie efficace et robuste pour le calcul de régimes établis pour des écoulements compressibles, basée sur une intégration « implicite » en temps. Cependant, bien que générique, cette approche n’a pour le moment été éprouvée que dans le cas de gaz parfaits, et en l’absence de viscosité.

Les principaux enjeux techniques de cette thèse consistent, en se basant sur ces premiers travaux, à 1) valider et éventuellement adapter la méthodologie pour des fluides plus complexes (en particulier de l’eau), 2) introduire et adapter la méthode MBM pour l’interaction fluide-structure dans cette stratégie de calcul de régime établi, 3) introduire la viscosité du fluide, notamment dans le cadre de la méthode MBM développée initialement pour des fluide non-visqueux. A l’issue de ces travaux, des calculs de démonstration de transition implicite/explicite avec interaction fluide/structure seront mis en place et analysés.

A l’issue de la thèse, l’expérience de l’étudiant(e) pourra être valorisée vers des postes de chercheurs dans l’industrie (nucléaire, automobile, ferroviaire, aéronautique, médicale, …), et dans le réseau académique.

Un stage de fin d'études préparatoire à ces travaux de thèse peut être mis en place, selon les souhaits du candidat.

[1] Jamond, O., & Beccantini, A. (2019). An embedded boundary method for an inviscid compressible flow coupled to deformable thin structures: The mediating body method. International Journal for Numerical Methods in Engineering, 119(5), 305-333.

Les générateurs de vapeur sont des composants essentiels des réacteurs nucléaires dont la fonction principale est l’échange de chaleur. Les espèces chimiques présentes dans les générateurs de vapeur sont à l’origine de nombreux phénomènes parasites (colmatage, encrassement, dépôt de boue…). La simulation numérique du transport des espèces, prenant en compte la migration d’espèces chimiques et les échanges entre espèces, à la fois intra- et inter-phasiques, permettra une meilleure connaissance et une meilleure gestion de ces problèmes. La résolution numérique des systèmes de transport d’espèces présente de réelles difficultés notamment la gestion de l’apparition et de la disparition totale de certaines espèces, de forts taux de vide, ainsi que des temps de calcul rapidement excessifs.

Tout en se basant sur le nouveau code pour les composants nucléaires développé au STMF, la thèse adressera les trois principales problématiques scientifiques suivantes :
• En amont, l’analyse de méthodes numériques permettant en particulier la gestion de l’évanescence, comme mentionné plus haut, et la modélisation thermo-hydraulique à forts taux de vide. On s’appuiera pour cela sur les schémas numériques PolyMAC et PolyVEF, déjà implémentés dans le code composant.
• La modélisation physique d’un générateur de vapeur dans le nouveau code composant, via l’ajout (en C++) des corrélations spécifiques aux générateurs de vapeur, la complétion des lois d’état déjà disponibles, ….
• La détermination des espèces chimiques majeures à transporter, afin de pouvoir prendre en compte à la fois la thermo-hydraulique mais aussi la chimie. Le couplage algorithmique entre la thermo-hydraulique et la chimie, prenant en compte une rétroaction, étant l’objectif à long terme.

Tout en bénéficiant de la parallélisation existante du code composant, la modélisation thermo-hydraulique et chimique se fera en tenant compte des contraintes sur les temps de calcul.

Cette thèse vise à explorer l'application des techniques d'apprentissage machine pour améliorer la modélisation de la turbulence et les simulations numériques en mécanique des fluides. On s’intéresse plus spécifiquement à l’application des réseaux de neurones artificiels (ANN) pour la simulation des grandes échelles. Cette dernière est une approche de modélisation qui se concentre sur la résolution directe des grandes structures turbulentes, tout en modélisant les petites échelles par un modèle sous-maille. Elle requiert de résoudre un certain ratio de l’énergie cinétique totale. Néanmoins, ce ratio peut être difficilement atteignable pour des simulations industrielles en raison du fort coût de calcul, conduisant à des simulations sous-résolues. On souhaite améliorer ces dernières en orientant les travaux selon deux axes principaux : 1) Utiliser des ANN pour établir des modèles des modèles sous-mailles génériques qui surpassent les modèles analytiques et compensent la grossièreté de la discrétisation spatiale ; 2) Entraîner des ANN pour apprendre des modèles de paroi. L’un des principaux défis à relever est la capacité des nouveaux modèles à généraliser correctement dans des configurations différentes de celles utilisées lors de l'entraînement. Ainsi, la prise en compte des différentes sources et quantification des incertitudes joue un rôle vital dans l’amélioration de la fiabilité et de la robustesse des modèles issus de l'apprentissage machine.

De nombreux systèmes industriels mettent en jeu des structures immergées dans des fluides denses. On peut ainsi mentionner l’industrie sous-marine ou, plus particulièrement, le cas de certains réacteurs nucléaires de 4ème génération utilisant des caloporteurs comme le sodium ou des mélanges de sels. L’effet de l’interaction du fluide environnant sur les forces de contact entre les structures est un phénomène de première importance, notamment lors de scenarios transitoires accidentels pouvant générer de grands déplacements des structures dont l’intégrité résiduelle doit être démontrée à des fins de sûreté.

Dans le cadre de cette thèse, on s’intéresse, en particulier, à la modélisation de l’impact rapide d’un fragment de structure immergé dans un fluide contre une paroi, résultant par exemple d’un phénomène explosif dans une cuve de réacteur nucléaire refroidi au sodium. Dans ce contexte, le sodium modélisé comme un fluide compressible est traité numériquement par une approche de type volumes-finis. Les structures internes du réacteur sont traitées par une approche de type éléments-finis. Afin de permettre le traitement des grands déplacements de structure et une éventuelle fracturation de celle-ci, on se tourne vers des techniques de type « frontières immergées » pour l’interaction entre le fluide et la structure.

Les travaux de thèse consistent à venir définir une méthode numérique innovante permettant de mieux simuler le film fluide entre deux structures qui rentrent en contact dans ce contexte. Dans un premier temps, on s’attachera à identifier les caractéristiques physiques de l’écoulement au niveau du film fluide (compressibilité, viscosité, …) ayant le plus d’influence sur la cinématique des structures. Ensuite, le principal enjeu de ces travaux de thèse consistera à faire évoluer les méthodes numériques en vigueur afin de venir représenter le plus fidèlement possible les caractéristiques de l’écoulement du film fluide.

La thèse proposée se déroulera au CEA de Saclay, en collaboration étroite avec le laboratoire EM2C de l’école CentraleSupélec, dans l’environnement de l’Université Paris-Saclay. Le doctorant sera ainsi immergé dans une équipe à l’expertise reconnue dans le domaine des simulations transitoires en interaction fluide-structure.