Décomposition de domaine multi-bloc et non conforme, adaptée au couplage aux frontières 'exact' du code de thermohydraulique SIMMER-V
Cette thèse s'inscrit dans le cadre de la recherche nécessaire pour l'utilisation durable de l'énergie nucléaire dans un mix énergétique décarboné respectueux du climat. Les réacteurs de 4° génération refroidis au sodium sont alors des candidats de grand intérêt pour l'économie de la ressource en uranium et la minimisation du volume des déchets ultimes.
Dans le cadre de la sûreté de tels réacteurs, il est important de pouvoir décrire avec précision les conséquences d'une éventuelle dégradation du cœur. Une collaboration avec son homologue japonais JAEA permet au CEA de développer le code SIMMER-V dédié à la simulation de la dégradation du cœur. Le code calcule la thermohydraulique du sodium, la dégradation des structures et la neutronique du cœur pendant la phase accidentelle. L'objectif est de pouvoir représenter non seulement le cœur mais aussi son environnement direct (circuit primaire) avec précision. La prise en compte de cette topologie requiert de partitionner le domaine et d'utiliser une méthode de couplage aux frontières. La limite de cette approche réside généralement dans la qualité et la robustesse de la méthode de couplage, en particulier lors de transitoires rapides au cours desquels des ondes de pression et de densité sont amenées à traverser les frontières.
Une méthode de couplage a été initiée au Laboratoire de Modélisation des Accidents Graves de l’institut IRESNE de Cadarache (Annals of Nuclear Energy 2022,Implementation of multi-domains in SIMMER-V thermohydraulic code https://doi.org/10.1016/j.anucene.2022.109338), qui consiste à fusionner les différentes décompositions de chacun des domaines, dans le but de constituer une décomposition unique du calcul global. Cette méthode a été développée dans un cadre simplifié où les maillages (cartésiens) se raccordent de manière conforme au niveau des frontières. L'opportunité qui s'ouvre est d'étendre cette méthode au cas des raccords quelconques en utilisant la librairie MEDCoupling. Cette première étape dont la faisabilité a été acquise permettra d'assembler des composants pour constituer un système de type 'loop' (réacteur à boucles). La deuxième étape consistera à étendre la méthode de sorte qu'un domaine de calcul puisse être totalement emboîté dans un autre. Cet emboîtement permettra alors de constituer un domaine par juxtaposition ou par emboîtement avec des maillages et des décompositions de domaine non conformes. Après avoir vérifié les qualités numériques de la méthode, la dernière étape applicative consistera à construire une simulation de la dégradation d'un cœur plongé dans sa cuve primaire (configuration 'pool') permettant de valider la méthode suivie.
Ce travail permettra à l’étudiant de développer des connaissances en techniques numériques et modélisation pour les systèmes physiques complexes avec écoulements. Il mettra en œuvre des techniques allant de la conception à la validation de méthodes, dans une équipe pluridisciplinaire et dynamique au CEA Cadarache.
Développement et modélisation en CFD appliqués à la thermohydraulique du stockage souterrain de gaz en cavité
Au CEA, le LMSF propose une thèse en collaboration avec la société Storengy spécialiste mondial du stockage souterrain de gaz naturel dans les cavités salines. Des mesures réalisées en cavité montrent que le gaz est en mouvement convectif dans la partie supérieure de la cavité et qu’il n’est pas forcément en équilibre thermodynamique avec la saumure en fond de cavité, ce qui conduit à des phénomènes de stratification du gaz. Les différents régimes d’écoulement (convectifs ou non) vont fortement influencer d’une part les échanges de matière entre le gaz et la saumure et donc l’évolution de la composition (en eau et autres composants) du gaz en sortie de la cavité et d’autre part les échanges thermiques entre le gaz et le massif rocheux. Dans ce contexte, des outils de prédiction basés sur la CFD (Computational Fluid Dynamics) sont fortement bénéfiques pour la compréhension de ces phénomènes et contribueront à une meilleure interprétation des mesures physiques faites en cavité, à l’amélioration du design des installations de surface et au suivi des stockages, en particulier pour le stockage d’hydrogène. Dans ce projet de thèse, l’objectif est de développer une modélisation thermohydraulique sur la base du modèle TrioCFD du stockage de gaz dans des cavités de forme réaliste et en conditions d’opération des cavités (phases d’injection et de soutirage). Pour ce faire, le fonctionnement d’une cavité saline de stockage sera modélisé, dans un premier temps, en géométrie réelle et en monophasique puis en diphasique en prenant en compte les échanges de matière entre la saumure et le gaz dans la cavité.
Nouveau modèle de condensation en écoulement stratifié à l'échelle CFD et macroscopique par remontée d'échelle diphasique
Dans le cadre de la sûreté des Réacteurs à Eau Pressurisée (REP), l’Accident de Perte de Réfrigérant Primaire (APRP) est d’une grande importance. L’APRP est un accident hypothétique provoqué par une brèche dans l’enveloppe du circuit primaire. Cette brèche entraîne une chute de la pression dans le circuit primaire et une perte de l’inventaire en eau de ce circuit, dont résulte un échauffement des crayons combustibles qui doit rester limité afin que l’endommagement du combustible ne mette pas en cause le refroidissement du cœur du réacteur et évite sa fusion.
Pour palier cette situation, l’injection de sécurité est activée afin d’injecter de l’eau froide, sous forme d’un jet, dans la branche froide horizontale qui est totalement ou partiellement dénoyée avec la présence de vapeur pressurisée. Un écoulement stratifié apparaît dans la branche froide avec des phénomènes de condensation important au voisinage du jet et au niveau de la surface libre dans les zones d’écoulement stratifié. De nombreux travaux expérimentaux et numériques ont été menés sur les transferts interfaciaux à la surface libre sur des sections rectangulaires et cylindriques. Les simulations CFD (Computational Fluid Dynamics) de la condensation à la surface libre sont réalisées avec le code Neptune_CFD, code utilisé par FRAMATOME, EDF et le CEA. Actuellement, Neptune_CFD, dispose de trois modèles de transfert de chaleur à la surface libre. Ces modèles ont été établis à partir d’un nombre réduit de simulations (DNS, LES et RANS) sur des configurations rectangulaires qui restent éloignées de la configuration d’intérêt. Les écoulements dans une section rectangulaire sont plutôt des écoulements parallèles alors que dans une section cylindrique, les écoulements sont tridimensionnels.
L’objectif de la thèse est d’améliorer la modélisation de la condensation à la surface libre dans une configuration à section circulaire. Dans un premier temps, une étude bibliographique sera menée sur les régimes d’écoulement de surface libre ainsi que sur des travaux expérimentaux de caractérisation de l’aire interfaciale, de la vitesse moyenne interfaciale, des termes de turbulence au voisinage de la surface libre et des transferts de chaleur. En parallèle, un nouveau modèle sera développé par rapport aux différents éléments d’amélioration identifiés avec la mise en œuvre de la validation associée. Il est aussi envisagé de mener des travaux de remontée d’échelle des simulations CFD diphasiques vers une approche macroscopique CATHARE. Cette méthode de remontée d’échelle se basera sur les travaux de thèse de Tanguy Herry.
Simulation numérique avec suivi d'interface d'une bulle de Taylor
Des écoulements diphasiques peuvent se développer dans des systèmes industriels allant du réacteur nucléaire au procédé chimique. La présence de deux phases (un liquide et sa vapeur, deux liquides, un liquide et un gaz) peut être recherchée ou contrainte en fonction des cas. Un générateur de vapeur verra nécessairement des bulles se former et grossir avant de vaporiser totalement le liquide. Dans le circuit primaire d'un réacteur, des bouchons de vapeur peuvent apparaître dans des situations incidentelles ou accidentelles. Nous souhaitons étudier ces bouchons de vapeur à l'aide de simulations numériques afin d'aider à leur modélisation. L'effet du bouchon est en premier lieu de réduire le débit dans la conduite. Il peut également avoir un effet sur le mélange du liquide et donc sur la température.
Notre logiciel de simulation TrioCFD permet de faire des simulations diphasiques avec suivi d'interface. Nous souhaitons simuler la dynamique d'un bouchon de vapeur (parfois appelé bulle de Taylor) afin de mieux comprendre la dynamique de l'écoulement. La première application des simulations sera d'évaluer les corrélations expérimentales de pertes de pression à nos résultats et éventuellement de les enrichir. Nous souhaitons également observer des effets de géométries (tube cylindrique ou canal rectangulaire). Le travail consistera à mettre en place les simulations à partir des cas fonctionnels existants, à analyser les résultats et proposer des pistes de modélisation.
Bulles de Taylor : expériences et modélisation
Cette thèse de doctorat porte sur les phénomènes à micro-échelle qui se produisent dans la région proche de la paroi lors du mouvement d'une bulle dans un tube capillaire (typiquement connu sous le nom de bulle de Taylor). Il s'agit de bulles de vapeur allongées ayant la forme d'une balle qui se forment dans les échangeurs de chaleur compacts utilisés dans de diverses applications industrielles telles que le refroidissement de l'électronique et les générateurs de vapeur des réacteurs nucléaires. Les phénomènes associés comprennent la dynamique du mouillage, la formation de couches de liquide d'épaisseur micrométrique et le transfert de chaleur. Le doctorant mènera une étude expérimentale au STMF/CEA (Paris-Saclay, France) en collaboration avec le SPEC/CEA en utilisant des diagnostics optiques avancés pour évaluer ces phénomènes, en particulier le profil de la couche liquide. L'étudiant utilisera les données expérimentales pour valider une approche numérique en partenariat avec l'Université de Nottingham (Royaume-Uni) en utilisant le logiciel libre OpenFOAM.
Modélisation de l'entrainement de gouttes en tubes horizontaux et inclinés
L’étude des écoulements avec une surface libre entre le liquide et un gaz (vapeur, air, …) est d’une grande importance dans de nombreux domaines. Sous certaines conditions, des gouttelettes liquides peuvent être générées et être transportées par le gaz. Cette thèse se focalise sur l’étude des écoulements dans les branches horizontales et inclinées des Réacteurs à Eau Pressurisée (REP) avant l’entrée des générateurs de vapeurs lors d’un transitoire accidentel. Dans ces configurations, la prédiction de l’équilibre entre le dépôt et l’arrachement des gouttes par le gaz, sur - ou à partir du - film de liquide s’écoulant en proche paroi de ce type de conduites, est primordiale. La thèse commencera par une revue bibliographique des modèles de transition de régime vers ceux dispersés à gouttes, et des modèles empiriques ou mécanistes d’entrainement, de dépôt et de diamètre de gouttes en tuyaux horizontaux et inclinés. On pourra s’appuyer sur des expériences réalisées au CEA comme REGARD et MHYRESA ainsi que sur des expériences numériques via des calculs locaux, à l’échelle DNS ou CFD moyennée, afin de simuler la déformation des interfaces liquide/gaz. L’implémentation de ces modèles sera effectuée dans le code système CATHARE 3 (https://cathare.cea.fr ) développé par le CEA en partenariat avec EDF, Framatome et l’IRSN, avec une validation sur des essais expérimentaux sélectionnés.
Etude expérimentale et modélisation physique d’un écoulement dans des tuyaux inclinés et de la trajectoire des jets d’eau sortants
Les circuits thermohydrauliques présents dans l’industrie nucléaire sont constitués par un réseau complexe de tuyaux horizontaux, verticaux ou inclinés.
En particulier, dans les réacteurs nucléaires, les tuyaux d’injection de sureté (IS) sont connectés au circuit primaire et destinés à y injecter l’eau froide en situation accidentelle avec différentes configurations et inclinaisons, selon le type de réacteur. L’écoulement dans le tuyau de l’IS et dans les tuyaux du circuit primaire, ainsi que l’efficacité du refroidissement du réacteur sont influencés par ces différentes configurations. La caractérisation de l’écoulement dans ces tuyaux est donc cruciale.
L’objectif de cette thèse est donc d’acquérir des nouvelles données expérimentales pour caractériser l’écoulement eau-air dans un tuyau incliné et la trajectoire du jet sortant, à pression atmosphérique. Les données expérimentales obtenues seront exploitées pour développer et/ou améliorer la modélisation des écoulements dans les tuyaux inclinés.
Cette thèse devra apporter les contributions suivantes :
• Mise en place de l'expérience et des méthodes de mesure ;
• Acquisition des données expérimentales pour différentes géométries de la section d’essais (ronde vs carré), diamètre du tuyau, rugosité, inclinaison, densité/viscosité du fluide et débit ;
• Développement des modèles physiques pour caractériser l’écoulement dans un tuyau incliné, notamment le remplissage (liquid hold-up) et la longueur de détachement ;
• Développement d’une formulation mathématique pour prédire la trajectoire du jet sortant;
• Etude de l’impact de la stratification dans le tuyau IS sur le modèle de condensation au jet de Cocci et al. ;
• Eventuellement, simulation de l’expérience avec un code CFD (ex. NEPTUNE-CFD) pour étendre la validation du code et identifier potentielles améliorations.
Méthodes numériques pour la simulation d’écoulements diphasiques avec prise en compte des singularités
Pour les calculs de sûreté nucléaire ainsi que pour la conception de nouveaux réacteurs, il est nécessaire de simuler précisément les écoulements diphasiques. Le logiciel du CEA TrioCFD, basé sur la plateforme numérique TRUST, propose le module Front-Tracking pour étudier un écoulement diphasique en suivant précisément les interfaces entre les phases. Cette méthode est fonctionnelle et est validée dans de nombreux cas d’application. Néanmoins, elle pourrait bénéficier de développements mathématiques récents pour améliorer sa robustesse et pour prendre en compte des singularités au voisinage de l’interface. Celles-ci peuvent apparaître quand deux interfaces se rapprochent, comme c’est le cas lors de la coalescence de deux bulles, au niveau de la pointe d’un vortex ou au niveau d’une ligne triple (eau, gaz et paroi solide). Pour résoudre fidèlement les phénomènes dans ces régions, il est actuellement nécessaire de fortement raffiner le maillage autour de ces zones, ce qui peut impliquer des coûts de calcul importants. Le but de cette thèse est de proposer et de mettre en œuvre des méthodes numériques permettant d’améliorer le module de suivi d’interface du logiciel de TrioCFD. Dans un premier temps, on cherchera à améliorer la méthode actuelle en terme de robustesse. Ensuite, on s’intéressera aux méthodes alternatives au suivi d’interface. La deuxième partie du travail de thèse visera à développer le traitement des singularités de l’interface par une approche semi-analytique, appelée méthode du complément singulier. Cette approche permettrait de fortement réduire les besoins de raffinement de maillages dans les zones à problèmes.
Modélisation de l’effet des grilles de mélange au cours du renoyage du coeur d'un réacteur nucléaire
Au cours d’un accident de perte de réfrigérant primaire dans un réacteur, le circuit primaire se vide progressivement, menant au dénoyage partiel ou total du cœur du réacteur. Le cœur du réacteur est constitué de crayons de combustible assemblés en faisceaux et protégés par une gaine métallique. Au cours de tels accidents, le refroidissement des gaines n’est plus assuré dans la mesure où de moins en moins d’eau liquide est disponible pour extraire la chaleur produite dans les crayons. Des systèmes de sûreté et de sauvegarde s’activent alors afin d’injecter de l’eau liquide dans le cœur. Cette eau permet de refaire le niveau du circuit primaire au cours d’une phase qu’on appelle le « renoyage ». L’eau arrive en contact avec des crayons très chauds, empêchant le remouillage immédiat des gaines par l’eau liquide. Une vaporisation intense et une vitesse de vapeur importante entraine la création d’une grande quantité de vapeur et de gouttes tandis que le front de trempe avance progressivement. Ces gouttes échangent de la chaleur avec la vapeur et les différentes structures présentes dans le cœur, en particulier les crayons d’une part et d’autre part les grilles d’espacement. Ces dernières sont des éléments permettant de maintenir l’espacement entre les crayons et également d’améliorer le mélange entre les différentes zones du cœur par des ailettes situées en sortie de grille. L’échange entre les gouttes et les structures comme avec la vapeur est très dépendant de la taille des gouttes. Cette taille de goutte est difficile à prédire avec précision, d’autant plus que les grilles ont sur elle un effet majeur. En effet, si la grille est sèche et que la goutte heurte la grille, la goutte peut se fragmenter en plusieurs petites gouttes, faisant diminuer alors le diamètre moyen en aval des grilles. Si en revanche la grille est mouillée (c’est-à-dire qu’un film liquide stable reste sur la grille), il a été constaté expérimentalement que la taille de goutte moyenne augmente en aval de celle-ci. Cette thèse a donc pour objectif de prendre en compte l’effet des grilles mais également du changement de phase et des différents phénomènes influents sur la taille de goutte moyenne dans le cœur au cours du renoyage. Les gouttes n’étant pas de taille unique, il s’agira ensuite de prendre en compte la polydispersion en taille de goutte et d’étudier l’effet de cette polydispersion sur les principaux paramètres d’intérêt du transitoire.
La thèse s’appuiera pour la validation des modèles qui seront développés sur plusieurs expériences et particulièrement l’expérience RBHT (Rod Bundle Heat Transfer) qui permet de simuler le renoyage d’un cœur de réacteur à eau pressurisée. Cette thèse s’oriente donc sur du développement de modèles physiques (effet des grilles, fragmentation, coalescence, entrainement, déposition de gouttes), leur implémentation dans l'outil de calcul scientifique CATHARE et sur leur validation à l’aide d’expériences existant dans la littérature. Cette thèse présente un fort intérêt académique comme industriel et permettra à l'étudiant de développer ses compétences sur l'analyse physique et la construction de modèles, comme sur l’utilisation et le développement d’outils de calcul scientifique, ce qui sera valorisable tout au long de sa vie professionnelle.
Modélisation des échanges transverses en coeur de REP
L'objectif est de modéliser les termes de transferts radiaux pour les écoulements 3D dans les faisceaux de combustible de coeur de REP.
L'enjeu est que les simulations thermo-hydrauliques réalisées avec le code de sûreté CATHARE 3 à l'échelle du composant coeur permettent de reproduire les effets 3D rencontrés dans les situations accidentelles où de fortes asymétries peuvent apparaitre. Le terme radial prépondérant est la trainée, que l'on modélisera d'abord en situation monophasique, en fonction du régime et de l'angle de l'écoulement avec les faisceaux.
On utilisera pour ce faire des données expérimentales obtenues sur l'installation METERO-V et des données numériques obtenues par remontée d'échelle de calculs fins (LES) avec le code TrioCFD. Les transferts de quantité de mouvement par advection devront être séparés des transferts par diffusion afin de modéliser correctement les différents termes. Enfin on choisira une configuration en présence d'une phase dispersée (bulles ou gouttes) et on étendra la démarche aux termes de frottement interfacial, multiplicateur diphasique de trainée et diffusion de taux de vide. On cherchera ainsi à étendre aux écoulements diphasiques les capacités de CATHARE 3 à reproduire des écoulements 3D au sein du combustible.