Dans le domaine de la thermohydraulique, les codes CFD (Computational Fluid Dynamics) font partie des outils de calcul scientifique les plus couramment utilisés pour des analyses de conception et d'évaluation de sûreté.
Les codes CFD proposent une résolution tridimensionnelle des équations de Navier-Stokes.
L'approche la plus souvent retenue consiste à résoudre une formulation moyennée des équations de Navier-Stokes (Reynolds-averaged Navier-Stokes).
Cette approche permet d'obtenir une résolution détaillée d'un écoulement au prix d'un nombre limité d'hypothèses (modèles de turbulence, lois de parois).
La discrétisation spatiale du domaine de calcul requiert un nombre de volumes de contrôle élevé pour atteindre un bon niveau de précision.
Les ressources informatiques nécessaires pour mener à bien un calcul industriel sont importantes et ne permettent pas, à l'heure actuelle, d'envisager de traiter des cas de transitoires complexes, par exemple diphasique, dans le circuit primaire complet d'un réacteur nucléaire.

Une autre approche consiste à retenir une discrétisation spatiale plus grossière pour réduire le temps de calcul.
Selon les cas, les bonnes pratiques de l'approche RANS ne peuvent pas être respectées. On doit alors ajouter un certain nombre d'hypothèses pour assurer la précision du calcul qui se traduisent par l'ajout de modèles supplémentaires comme par exemple des lois de pertes de charges, des corrélations de transfert thermique, des termes de mélange, etc. Cette approche est souvent appelée approche poreuse.

Quelle que soit l'approche retenue, le système modélisé est généralement un circuit ouvert. Des conditions aux limites sont donc nécessaires afin que le système d'équation puisse être résolu.

Les méthodes de couplage multi-échelle proposent d'utiliser chaque approche là où elle est la plus indiquée. L'objectif est d'utiliser l'approche la moins coûteuse possible tout en maintenant un bon niveau de détail dans la représentation des phénomènes physiques impliqués.
Les approches de couplage distinguent les méthodologies unidirectionnelles (one-way coupling) des méthodologies bidirectionnelles (two-way coupling).
Dans la méthodologie unidirectionnelle, les conditions aux limites issues d'un premier calcul sont fournies à un second calcul. Il n'y a pas de rétroaction du second code vers le premier.
Dans la méthodologie bidirectionnelle, les codes échangent, le plus souvent à chaque pas de temps, par l'intermédiaire des conditions aux limites qui permettent une rétroaction entre les deux codes. C'est cette dernière méthodologie qui est retenue.

Les conditions aux limites classiquement utilisées sont le plus souvent développées pour des calculs où seules des données macroscopiques sont disponibles, débit et température en entrée et pression en sortie.
Dans le cas d'un couplage multi-échelle des informations plus détaillées sont disponibles, par exemple les champs de vitesse et de pression.
Dans le cadre de cette thèse, on cherche à développer des conditions aux limites qui puissent exploiter toutes les informations complémentaires nécessaires afin de rendre l'interface entre les deux codes la plus transparente possible.
Pour fixer les idées, on souhaiterait que, dans le cas théorique où deux instances d'un même code se partagent un domaine physique en appliquant exactement la même modélisation et discrétisation spatiale, les résultats obtenus par le couplage de ces deux instances soient identiques à celui d'une unique instance du même code calculant le domaine complet.

Le bâtiment réacteur représente la troisième barrière de confinement dans les centrales nucléaires. Il a pour rôle de protéger l’environnement en cas d’accident hypothétique en limitant les rejets vers l’extérieur. Sa fonction est donc étroitement liée à son étanchéité qu’il doit conserver durant toute sa durée de fonctionnement. Classiquement, l’estimation du taux de fuite s’appuie sur une bonne connaissance de l’état hydrique et des potentiels désordres mécaniques, associés à des lois de transfert (comme la perméabilité) dans une démarche de simulation chaînée (thermo-)hygro-mécanique. Si le comportement mécanique de la structure est aujourd’hui globalement maîtrisé par le recours à des outils de simulation avancés, des progrès restent nécessaires pour améliorer la compréhension et la quantification des écoulements. C’est particulièrement le cas en présence d’hétérogénéités (fissures, nid de cailloux, reprise, armatures, câbles, etc.) qui représentent autant de situations pouvant perturber localement la perméabilité. C’est dans ce cadre que se place le sujet de thèse proposé. Il s’agira d’améliorer la compréhension et la représentation des écoulements à travers une structure en béton armé en s’appuyant sur une démarche combinant essais expérimentaux et modélisation. Une première analyse permettra de définir un plan d’expérience optimisé selon plusieurs configurations (chemins de fuite, type d’écoulement, température, saturation…) qui sera ensuite mise en œuvre durant la thèse. Les résultats seront analysés afin de caractériser empiriquement l’influence du chemin de fuite sur les lois macroscopiques classiquement utilisées (loi de Darcy). Une approche de simulation plus fine sera ensuite développée, en s’appuyant la méthode d’éléments finies. L’objectif sera de reproduire les résultats expérimentaux et les étendre au comportement des enceintes de confinement, améliorant ainsi les outils de modélisation actuellement disponibles.

Dans certaines situations accidentelles, il est important d’évaluer les conséquences induites par un chargement thermique sévère sur le comportement mécanique de structures en béton, notamment vis-à-vis d’une fissuration potentielle. C’est particulièrement le cas dans l’étude de l’interaction corium – béton. Dans le cadre de l’évaluation des conséquences d’un accident grave hypothétique, une fusion du cœur peut être considérée, jusqu’à un percement de la cuve. Le mélange en fusion, appelé corium, se répand alors dans le puits de cuve et entre en contact avec le béton. Divers phénomènes peuvent se produire conduisant à une ablation partielle du matériau. Compte tenu des enjeux en termes de protection de l’environnement, il est indispensable de disposer d’outils de modélisation permettant de représenter les mécanismes en jeu. Dans le cadre de cette thèse, il s’agira de développer une méthodologie de simulation complète pour représenter les conséquences mécaniques de l’interaction corium-béton, en y intégrant notamment une modélisation à l’échelle locale pour représenter l’ablation du matériau cimentaire. Une attention particulière sera notamment portée au modèle de fissuration du béton (développement d’un modèle adapté au chargement thermique sévère, critères d’ablation du béton) et au chaînage thermique-mécanique-écoulement des outils pour la représentation d’une pénétration du corium dans les fissures. Ce travail sera réalisé en collaboration entre le CEA SACLAY (disposant de premiers outils de simulation du comportement thermomécanique) et le CEA Cadarache (disposant des compétences numériques et expérimentales autour de l’interaction corium-béton).