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Modélisation moyennée de bulles de Taylor

Energie, thermique, combustion, écoulements Mathématiques - Analyse numérique - Simulation Sciences pour l’ingénieur

Résumé du sujet

Les écoulements diphasiques sont fréquemment observés dans l'industrie nucléaire, au sein des circuits primaires et secondaires des centrales. Le développement d'un modèle diphasique exhaustif revêt une importance cruciale, car il permettrait de mieux comprendre la dynamique de ces écoulements au sein du cœur et des générateurs de vapeur. Cela ouvrirait la voie à la création d'un "réacteur numérique" capable d'optimiser les marges de sûreté des installations nucléaires et de proposer des conceptions novatrices.

La Simulation Numérique Directe (DNS) offre la possibilité de mener des expériences numériques à petites échelles pour analyser des configurations simples. Grâce à l'augmentation de la puissance de calcul et à l'utilisation d'algorithmes de suivi d'interface, il est maintenant envisageable d'étudier avec une grande précision l'évolution d'un écoulement à bulles. Cependant, cette approche demeure coûteuse et difficile à appliquer à des configurations industrielles. Les méthodes moyennées, moins gourmandes en termes de puissance de calcul, ouvrent la porte à l'étude de configurations plus complexes, mais exigent au contraire une modélisation importante. La remontée d’échelle, méthode qui permet le passage de l’échelle DNS à des modèles moyennés, n'est pas toujours aisée à appliquer. Cette complexité se manifeste particulièrement pour les phénomènes intermittents liés à la présence de parois et à la forte présence de gaz [1], tels que la bulle de Taylor.
Les modèles moyennés, cherchant à reproduire les topologies des 'grandes interfaces', utilisent des techniques de pseudo-suivi d'interface ou de reconstruction d'interface [2]. Ils parviennent à reproduire qualitativement ces grandes interfaces et fournissent des résultats satisfaisants pour des écoulements complexes, loin des parois. Cependant, ces modèles manquent d'efficacité sur des configurations tenant compte de la présence de structures solides à proximité. Une modélisation plus approfondie est donc nécessaire pour parvenir à reproduire le comportement de grandes interfaces en proche paroi, qui devra prendre en compte une multitude de phénomènes (turbulence, transferts à la paroi, transferts interfaciaux etc.).

L’étudiant s’attachera donc à simuler une bulle de Taylor en utilisant une modélisation moyennée de reconstruction d'interface. Des données de référence issues du code de calcul TrioCFD seront utilisées. L’ensemble des cas seront simulés avec le code de calcul Neptune CFD, co-développé par le CEA, EDF, FRAMATOME et l’IRSN. Selon la progression de l'étudiant, le nouveau modèle pourra être utilisé sur des configurations à complexité croissante (impact d’une bulle sur une paroi, sur une grille de mélange [7]), dans le but d’étudier l’interaction avec des structures solides. Ces configurations revêtent un intérêt particulier pour des problématiques industrielles sur les générateurs de vapeur ou les faisceaux d’assemblages combustibles.

[1] A.O. Morgado, J.M. Miranda, J.D.P. Araújo, J.B.L.M. Campos, Review on vertical gas–liquid slug flow, International Journal of Multiphase Flow, Volume 85, 2016, Pages 348-368, ISSN 0301-9322. URL https://doi.org/10.1016/j.ijmultiphaseflow.2016.07.002.

[2] A. De Santis, M. Colombo, B.C. Hanson, M. Fairweather, A generalized multiphase modelling approach for multiscale flows, Journal of Computational Physics, Volume 436, 2021,
110321, ISSN 0021-9991. URL https://doi.org/10.1016/j.jcp.2021.110321.

[3] D. Bestion. The difficult challenge of a two-phase cfd modelling for all flow regimes. Nuclear
Engineering and Design, 279:116–125, 2014. ISSN 00295493. doi: 10.1016/j.nucengdes.
2014.04.006. URL http://dx.doi.org/10.1016/j.nucengdes.2014.04.006.

[4] Collins, R., Moraes, F., Davidson, J., & Harrison, D. (1978). The motion of a large gas bubble rising through liquid flowing in a tube. Journal of Fluid Mechanics, 89(3), 497-514. doi: 10.1017/S0022112078002700.

[5] Arijit Majumdar, P.K. Das, Rise of Taylor bubbles through power law fluids – Analytical modelling and numerical simulation, Chemical Engineering Science, Volume 205, 2019, Pages 83-93, ISSN 0009-2509. URL https://doi.org/10.1016/j.ces.2019.04.028.

[6] Brown, R.A.S., 1965. The mechanics of large gas bubbles in tubes: I. bubble velocities in stagnant liquids. Canad. J. Chem. Eng., vol. 43, 5 (10), pp. 217–223.

[7] Shuai Liu, Li Liu, Hanyang Gu, Ke Wang, Experimental study of gas-liquid flow patterns and void fraction in prototype 5 × 5 rod bundle channel using wire-mesh sensor, Annals of Nuclear Energy, Volume 171, 2022, 109022, ISSN 0306-4549. URL https://doi.org/10.1016/j.anucene.2022.109022.

Laboratoire

Département de Modélisation des Systèmes et Structures
Service de Thermohydraulique et de Mécanique des Fluides
Laboratoire de Modélisation et Simulation en mécanique des Fluides
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