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Simulation Numérique Directe (DNS) de l’ébullition des mélanges binaires avec TrioCFD

Energie, thermique, combustion, écoulements Physique de l’état condensé, chimie et nanosciences Physique du solide, surfaces et interfaces Sciences pour l’ingénieur

Résumé du sujet

Les phénomènes de corrosion entraînent des coûts importants se montant à environ 3 à 4% du PIB des pays de l’OCDE. Pour évaluer la sûreté des installations nucléaires, le CEA développe, valide et utilise des outils de simulation en thermohydraulique. Il s’intéresse à la modélisation des écoulements diphasiques eau-vapeur par différentes approches de la plus fine à la plus intégrale. Afin de mieux comprendre ces écoulements, le laboratoire travaille à la mise en place d’une démarche multi-échelles où la simulation fine (DNS, Simulation Numérique Directe diphasique) est utilisée comme « expérience numérique » pour produire des données de référence. Ces données sont ensuite moyennées pour être comparées aux modèles utilisés à plus grande échelle.
Pour certaines installations, le vieillissement est déterminé par la corrosion. Dans le cadre de cette thèse, on souhaite s’attacher à mieux comprendre le lien entre les cycles de nucléation et la corrosion de la paroi lors de l’ébullition en vase de mélanges binaires acides comme H2O/HNO3. Les expériences montrent que la corrosion peut se produire là où les transferts de masse et de chaleurs sont les plus forts, i.e. sous les bulles en expansion. La simulation fine DNS est essentielle pour déterminer les très fortes variations temporelles de concentration et de température en proche paroi.

Pour produire ces données, le laboratoire a développé une méthode de simulation fine diphasique (Front-Tracking), implémentée dans notre code Open-Source de thermo-hydraulique : TRUST/TrioCFD (code orienté objet, C++). Cette approche à l’échelle de la bulle est couplée avec un modèle sous-maille de la ligne triple de contact vapeur-liquide-solide qui tient compte des effets nanométriques qui impactent fortement la croissance macroscopique de la bulle. Une telle méthode permet par exemple la simulation massivement parallèle de la croissance d’une bulle en paroi pour mieux comprendre l’ébullition d’un liquide pure, aux propriétés constantes. A présent, le candidat devra étendre les capacités du modèle aux mélanges binaires et le valider pour considérer :
• Les variations de concentration par convection/diffusion et par évaporation interfaciale ;
• La détermination des températures et concentrations à l’interface : la température de saturation locale varie sous l’effet de la concentration locale et de la pression partielle de vapeur dans le mélange binaire qui impactent le transfert de masse.
• Les variations de tension de surface et l’apparition d’effet Marangoni ;
• La généralisation du modèle sous-maille de la ligne triple aux mélanges binaires.

La thèse vise à produire des DNS pour simuler la croissance et le détachement d’une bulle unique dans un mélange binaire H2O/HNO3. L’objectif est de décrire les conditions thermiques et chimiques et leur évolution temporelle sur un cycle d’ébullition, pour en déduire les conséquences sur la corrosion. Une réflexion sur les données intégrées à transférer à une approche plus macroscopique compatible avec les modèles de corrosion sera entamée. Le candidat travaillera alors avec des experts de la corrosion pour traiter les données numériques (moyennes pertinentes, etc…) afin de préparer leur utilisation dans des modèles de corrosion. Ces simulations pourront se rapprocher d’une expérience CONSTANSE UP (COrrosioN Study under heat TrANSfEr and Under reduced Pressure) exploitée actuellement au laboratoire de corrosion du CEA.

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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