Propositions de stages 2022 au CEA/STMF Service de Thermohydraulique et de Mécanique des Fluides

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DES/ISAS/DM2S/STMF 18/10/2021

Propositions de stages 2022 au CEA/STMF

Service de Thermohydraulique et de Mécanique des Fluides

Chaque année, le CEA (Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies

alternatives) propose près de 1500 stages aux étudiants qui souhaitent compléter leur

formation par une première pratique

professionnelle. Ces stages sont intégrés dans le cursus scolaire de l'étudiant et effectués en vue de la préparation d'un diplôme.

CEA Centre Paris-Saclay

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Table des matières

Le CEA ... 4 Le DM2S et STMF ... 4 Sujets de stages 2022 ... 6 Sujet de stage / Internship topic : International benchmark activity on the simulation of flow reversal experiments with the code CATHARE ... 7 Sujet de stage : Couplage des échanges thermiques en proche paroi dans un modèle de flux critique en transitoires rapides. Application aux réacteurs expérimentaux. ... 9 Sujet de stage : Prédiction des performances d’une pompe hélice avec le modèle

unidimensionnel du code CATHARE3 ... 11 Sujet de stage : Analyse et simulation d’essais expérimentaux de décharge de vapeur pour les modèles d’échange du logiciel CATHARE3 ... 13 Sujet de stage : Amélioration des modèles de ballonnement des gaines combustible avec le code de calcul thermo-hydraulique CATHARE-3 ... 15 Sujet de stage : Adaptation du module neutronique de cinétique ponctuelle du code système CATHARE pour modéliser le comportement d’un Réacteur à Sel Fondu ... 17 Sujet de stage : Etude expérimentale de l’écoulement d’un jet liquide incliné ... 20 Sujet de stage : Intégration d’un modèle de partitionnement du flux thermique pariétal dans le code Flica5 ... 22 Sujet de stage : Simulation d’essais d’écoulements diphasiques dans un convergent- divergent en conditions thermohydrauliques représentatives d’un réacteur nucléaire ... 24 Sujet de stage : Modélisation CFD d’un réacteur nucléaire complet de type VVER-1000 26 Sujet de stage : Simulation numérique de l’interaction entre un écoulement axial et un cylindre élancé ... 28 Sujet de stage : Modélisation moyennée d’écoulements diphasiques en canal à partir de simulations CFD : remontée d’échelle pour application aux réacteurs à plaques ... 30 Sujet de stage : Intégration d’un modèle neuronal du tenseur de Reynolds dans le logiciel de simulation en mécanique des fluides TRUST/TrioCFD ... 32 Sujet de stage : Etude numérique sur la modélisation d’un écoulement multi-phase dans les Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC) ... 35 Sujet de stage : Optimisation du schéma numérique du code open-source

thermohydraulique HPC TRUST par vectorisation numérique ... 37 Sujet de stage : Simulations HPC d’écoulements diphasiques en présence de surfactant ... 39 Sujet de stage : Simulations HPC d’écoulements diphasiques dans des bains de corium ... 41

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3 Sujet de stage : Développement d'une nouvelle méthode pour la gestion de la

périodicité dans les simulations CFD ... 43 Sujet de stage / Internship topic : Study of an acoustic/transport splitting scheme on staggered grid for homogeneous two-phase flows models ... 45 Sujet de stage : Etude de la méthode de Galerkine discontinue pour les équations de Navier-Stokes ... 46 Informations pratiques ... 48

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Le CEA

Le Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA) est un organisme public de recherche.

Acteur majeur de la recherche, du développement et de l'innovation, le CEA intervient dans le cadre de ses quatre missions :

 la défense et la sécurité du pays

 les énergies bas carbone (nucléaire et renouvelables)

 la recherche technologique pour l'industrie

 la recherche fondamentale (sciences de la matière et sciences de la vie).

Avec plus de 20000 salariés -techniciens, ingénieurs, chercheurs, doctorants et post-doctorants, et personnel en soutien à la recherche- le CEA participe à de nombreux projets de collaboration aux côtés de ses partenaires académiques et industriels.

http://www.cea.fr/

Le DM2S et STMF

DM2S STMF

Au sein de la Direction des Energies (DES) / Institut des sciences appliquées et de la simulation pour les énergies bas carbone (ISAS) implanté au CEA/Paris- Saclay, le Département de

Modélisation des systèmes et

structures (DM2S) développe des outils de simulation pour la conception et l'évaluation de systèmes dans les disciplines de base du nucléaire, i.e.

thermohydraulique, thermomécanique et neutronique, toutes filières

confondues. Il s'appuie pour cela sur des essais et des plateformes logicielles, développées en interne ou en

partenariat.

Il les met en œuvre dans le cadre d'études, notamment dans les

domaines de la physique des réacteurs, de la tenue mécanique et de l'intégrité des structures des installations

nucléaires sous sollicitations et de la conception de systèmes de nouvelle génération.

Au sein du DM2S, le Service de Thermohydraulique et de Mécanique des Fluides (STMF), conçoit, développe et qualifie les logiciels de simulation de

thermohydraulique et de mécanique des fluides et appliquées à différentes technologies dans le domaine des énergies bas carbone, essentiellement pour les réacteurs et installations nucléaires.

Les activités du STMF sont :

 La modélisation physique en thermohydraulique

 Le développement des codes et mise en œuvre de méthodes numériques associées

 La conception et la réalisation des programmes expérimentaux analytiques en support à la compréhension des phénomènes et à l’élaboration et la validation des modèles physiques implantés dans ces logiciels

 La validation des codes sur des

expérimentations dédiées et la quantification des incertitudes

 La réalisation des études et expertises associées pour des applications nucléaires et quelques-unes hors nucléaire dans le domaine énergétique

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5 La démarche scientifique adoptée par le STMF repose sur une approche multi-échelle permettant de prendre en compte la diversité des grandeurs caractéristiques dans les installations nucléaires, depuis l’échelle submillimétrique mise en œuvre dans la simulation directe des interfaces et des inclusions des écoulements multiphasiques, jusqu’à l’échelle système correspondant à des modélisations d’ensemble des circuits et composants et de leurs interactions.

Modélisation des écoulements turbulents et diphasiques à bulles Thèse d’A. du Cluzeau : « Modélisation physique de la dynamique des

écoulements à bulles par remontée d’échelle à partir de simulations fines »

Combustion de l’hydrogène Outil expérimental SSEXHY (Structures Soumises à une EXplosion HYdrogène).

Etude de l’effet de la pression initiale sur l’accélération de flamme.

Thèse de R. Scarpa : « Mécanisme d’accélération d’une flamme de prémélange hydrogène/air et effets sur les structures »

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Sujets de stages 2022

Tous les stages proposés se dérouleront au centre CEA Paris-Saclay, site de Saclay, 91191 Gif-sur-Yvette

http://www.cea.fr/Pages/le-cea/les-centres-cea/paris-saclay.aspx

Le centre CEA Paris-Saclay fait partie de la Communauté d'Universités et d'établissements « Université Paris-Saclay » qui représente environ 15% de la recherche française.

Pour chaque stage, nous indiquons en particulier :

 Démarrage : il est indiquée la date souhaitée de démarrage. Il est à noter qu’une enquête administrative préalable est effectuée de manière systématique. Compte tenu de cette enquête et du traitement du dossier par les services administratifs, il faut compter environ un délai de 3 mois entre le dépôt complet du dossier de stage avant la date de démarrage pour les étudiants français ou les étudiants de la CEE, et 4 mois pour les étudiants d’autres nationalités.

 Possibilité de poursuite en thèse : chaque année, le STMF accueille plusieurs nouveaux doctorants. Il est fréquent et judicieux que la thèse soit précédée d’un stage. Ceci permet aux étudiants de confirmer (ou non) leur attrait pour une poursuite en thèse. Attention toutefois : l’acceptation du candidat au stage n’implique pas son acceptation pour la thèse.

Pour candidater, veuillez contacter les futurs encadrants ou personnes mentionnées pour chaque proposition de stage.

Voir également les informations pratiques à la fin de ce document.

Vous serez ici

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Sujet de stage / Internship topic : International benchmark activity on the simulation of flow reversal experiments with the code CATHARE

Durée / Duration : 6 mois / 6 months

Démarrage / Beginning : Between February and April 2022 Lieu / Location : CEA-Saclay, site de Saclay

Laboratoire d’accueil / Welcoming laboratory : DES/ISAS/DM2S/STMF/LATF Futurs encadrants ou contacts / Supervisors or contacts:

Alberto GHIONE (alberto.ghione@cea.fr)

Diplôme préparé / Prepared degree : Bac+5 – Master 2 / Diplôme École d'ingénieurs Possibilité de poursuite en thèse / Possible opening on a PhD proposal : no

Contexte / Context

The internship work will be conducted at the Department of Thermal-hydraulics and Fluid dynamics (STMF – Service de Thermohydraulique et de Mécanique des Fluides) within the Energy Directorate (DES - Direction des Énergies). The department develops and qualifies the simulation tools for the design and the safety analysis of the French nuclear power systems, such as the system thermal- hydraulic code CATHARE. These studies are performed within the framework of internal CEA projects or in collaboration with several industrial partners (e.g. EDF, Framatome and TechnicAtome) and international partners (e.g. Argonne National Laboratory).

Internship description

The proposed internship will be realized within a collaboration framework with Argonne National Laboratory (ANL), Illinois, USA. The activity concerns a comparative benchmark on the simulation of flow reversal experiments with thermal-hydraulic system codes (CATHARE and RELAP).

The flow reversal may occur during postulated accidental scenarios in nuclear research reactors cooled with a downward flow of water. During these scenarios, the coolant in the core may change direction from downward to upward due to the transition from forced to natural convection. The main goals of the activity are:

 To acquire a better understanding of the flow reversal phenomenon;

 To test and compare the capabilities of the codes against relevant experiments, in order to identify potential issues, share modeling best practices and suggest improvements of the simulation tools, if needed.

Within this framework, the intern will analyze the available experimental data and perform simulations using the system thermal-hydraulic code CATHARE. CATHARE is the reference code for the safety analysis of French nuclear reactors. It is based on a set of six conservation equations (mass, momentum and energy for the liquid and vapor phase) complemented by appropriate closure laws. In details, the candidate will:

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 Perform a preliminary literature review on the topic and identify the available experimental databases;

 Analyze the selected experiments in order to understand their physical behavior and to verify the coherence and exploitability of the experimental data;

 Model them with CATHARE and analyze the simulation results;

 Present and discuss his work during international technical meetings and write a final report.

Ideal applicant profile

The appliquant should have a good knowledge of fluid-dynamics/thermal-hydraulics, ideally applied to nuclear reactors. A basic knowledge of Linux, Excel and Python/Matlab is desired. A good

knowledge of English is a must. French would be a plus.

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Sujet de stage : Couplage des échanges thermiques en proche paroi dans un modèle de flux critique en transitoires rapides. Application aux

réacteurs expérimentaux.

Durée : 6 mois

Démarrage : Mars 2022

Lieu : CEA-Saclay, site de Saclay

Laboratoire d’accueil : DES/ISAS/DM2S/STMF/LMSF Futurs encadrants ou contacts :

 Raksmy Nop (raksmy.nop@cea.fr)

 Nicolas Dorville (nicolas.dorville@cea.fr)

 Marie-Christine Duluc (marie-christine.duluc@lecnam.net) Diplôme préparé : Bac+5 – Diplôme École d'ingénieurs / Master 2 Possibilité de poursuite en thèse : oui

Mots-clés : Flux Critique, Chauffage transitoire, convection forcée, sous-saturation, excursion exponentielle, RIA, BORAX.

Contexte

Les réacteurs expérimentaux de type piscine sont utilisés pour des tests de matériaux sous irradiation ou encore pour la production de radio-isotopes pour l‘industrie et la médecine. En cas d’insertion accidentelle de réactivité (RIA) dans le cœur d‘un tel réacteur, la puissance peut augmenter de manière exponentielle, avec un temps caractéristique de l‘ordre de la dizaine de millisecondes. Le système paroi-fluide peut alors atteindre, si les contre-réactions neutroniques associées à la réponse thermohydraulique ne suffisent pas, les conditions de la crise d‘ébullition, à même d‘engendrer une fonte du combustible et par la suite une réaction chimique explosive. Il est donc crucial pour la sûreté nucléaire de pouvoir comprendre et prédire la crise d‘ébullition en transitoire rapide dans des conditions applicables à ce genre de réacteurs.

Bien que la crise d‘ébullition ait été largement étudiée en conditions de fonctionnement des réacteurs à eau pressurisée en chauffage stationnaire (avec des mécanismes fondamentaux toujours mal compris), ce n‘est pas le cas dans les conditions de fonctionnement des réacteurs expérimentaux, et encore moins en transitoire rapide de chauffage. De ce fait, peu de corrélations, données expérimentales ou encore de modèles existent pour décrire ce phénomène. Dernièrement, une thèse [1] a été réalisée dans le but d‘améliorer la compréhension des mécanismes physiques entraînant la crise d’ébullition dans ces conditions et en a en particulier proposé un modèle mécaniste original [2].

Référence :

[1] Raksmy Nop. Experimental investigation and modeling of the transient flow boiling crisis of water at moderate pressure and high subcooling. Fluid mechanics [physics.class-ph]. Université Paris-Saclay, 2020. <lien>

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10 [2] R. Nop, M.-C. Duluc, N. Dorville, A. Kossolapov, F. Chavagnat, M. Bucci, An energy model for the transient flow boiling crisis under highly subcooled conditions at atmospheric pressure, International Journal of Thermal Sciences, Volume 168, 2021<lien>

Objectifs

Le but de ce stage est d‘étudier, sous l‘angle du modèle proposé dans [1-2], le couplage thermique entre l‘écoulement au centre du canal et la couche de fluide en proche paroi (appelée manteau homogène dans le modèle). Cette étude vise à prendre en compte l‘échauffement du fluide au centre du canal. Cet effet est indispensable pour étendre le modèle, préalablement développé dans le cadre d’expériences conduites à petite échelle, à des dimensions applicables aux études de sûreté des réacteurs. Une fois le couplage thermique implémenté, une étude comparative utilisant des résultats existants puis une analyse physique seront réalisées. Pour cela, le programme de travail du stage s’articulera comme suit :

 Implémentation du couplage thermique dans le code Matlab existant.

 Réalisation des calculs avec le nouveau couplage.

 Comparaison avec les résultats sans couplage et analyse physique.

Ce stage est un travail préparatoire à une thèse de doctorat.

Environnement de travail

Le stage s‘effectuera au sein du Laboratoire de Modélisation et de Simulation en mécanique des Fluides (DES/ISAS/DM2S/STMF/LMSF) sur le site du CEA à Saclay.

Compétences requises ou souhaitées

Mécanique des fluides, transferts thermiques, thermodynamique, Matlab, Sens physique. Une expérience avec l‘environnement Unix serait un plus.

Profil recherché

Étudiant.e en dernière année d‘école d'ingénieur ou master 2 en mécanique des fluides.

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Sujet de stage : Prédiction des performances d’une pompe hélice avec le modèle unidimensionnel du code CATHARE3

Durée : 6 mois

Démarrage : 02-03/2022

Lieu : CEA-Saclay, site de Saclay, 91191 Gif-sur-Yvette, Direction des EnergieS (DES) Laboratoire d’accueil : DES/ISAS/DM2S/STMF/LMES

Futurs encadrants ou contacts :

Encadrant principal et contact : Valentin COTTAREL, ingénieur-chercheur au CEA Saclay, STMF/LMES, valentin.cottarel@cea.fr

Co-encadrante à distance : Laura MATTEO, ingénieur-chercheur (PhD) au CEA Cadarache, SESI/LCOS, laura.matteo@cea.fr

Diplôme préparé : Bac+5 – Master 2 / Diplôme École d'ingénieurs Possibilité de poursuite en thèse : non

Mots-clés : Simulation numérique, Turbomachines, Thermodynamique, Mécanique des fluides, Physique des réacteurs.

Contexte

Un modèle unidimensionnel (1D) de pompe rotodynamique a été développé au CEA entre 2015 et 2019 dans le cadre d’une thèse [1]. Ce modèle permet de prédire les performances d’une pompe en fonctionnement normal et dans des situations anormales (off-design, écoulements diphasiques), mais également de connecter la modélisation de la pompe à l’ensemble du circuit environnant si l’on souhaite mener des simulations à l’échelle du réacteur. La modélisation d’une pompe hélice proposée dans le cadre de ce stage s’inscrit dans une démarche d’extension du domaine de validation du modèle 1D existant. Aujourd’hui, ce modèle est validé sur des géométries centrifuges à hélico-centrifuges (basses et moyennes vitesses spécifiques), la gamme des hautes vitesses spécifiques restant à compléter. Le cas d’étude identifié pour pallier ce manque est celui de la pompe hélice (dit aussi

« axiale ») de la NASA fonctionnant avec un fluide de travail métallique [2]. Il s’agira de confronter le modèle 1D existant à ce cas d’étude et si nécessaire de proposer des pistes d’amélioration pour les lois physiques utilisées. En particulier, le modèle de déviation du fluide en sortie de roue (partie mobile de la pompe) sera très probablement à généraliser, compte tenu du fait qu’aucune pompe de type hélice n’a été modélisée à ce jour avec le modèle 1D de CATHARE3. Ce travail d’extension du domaine de validation pourra par exemple être bénéfique aux études sur les Molten Salt Reactors (MSR, ou Réacteurs à Sels Fondus [3]), le type de pompe rencontré dans ces réacteurs étant semblable.

Objectifs

Après avoir pris connaissance du code de calcul CATHARE3 et en particulier du modèle 1D de pompe, le premier objectif sera de créer le jeu de données de la pompe hélice de la NASA. Ce travail de modélisation consiste à récupérer les informations géométriques nécessaires (sections de passage, rayons, angles) ainsi que des données de validation (courbes caractéristiques) pour la pompe étudiée et à créer le jeu de données. On s’appuiera pour cela sur les travaux d’un stage réalisé en 2021 portant sur la même pompe. On s’attachera ensuite à calculer les performances de la pompe en fonctionnement normal. Les résultats obtenus seront comparés aux données expérimentales

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12 disponibles et notamment aux courbes de performance de la machine. Au vu des résultats obtenus, des pistes d’amélioration du modèle 1D de pompe pourront être proposées.

Environnement de travail

Ce stage est proposé au Commissariat à l’Energie Atomique et aux Energies Alternatives (CEA), centre de recherche français, et plus particulièrement au sein de la Direction des EnergieS (DES), au Département de Modélisation des Systèmes et Structures (DM2S). Le Laboratoire de Modélisation et simulation à l'Echelle Système (LMES), accueillant le stage, est en charge du développement et de la validation du code CATHARE [4].

Compétences requises ou souhaitées

Utilisation de codes de calcul (CATHARE3), Python, C++, environnement Linux, rédaction sous LaTeX

Profil recherché

Etudiant/étudiante en école d'ingénieur (ou en master 2)

Références

[1] L. Matteo, « Modélisation unidimensionnelle du comportement d’une pompe rotodynamique en fonctionnement normal et accidentel », Thèse de doctorat, 2019.

[2] Cunnun, W. S., Reemsnyder, D. C. Cavitation damage and the effect of fluid temperature on the performance of an axial-flow pump in liquid sodium. (October 1969).

[3] E. Merle-Lucotte, D. Heuer et al, Introduction of the Physics of Molten Salt Reactor, Materials Issues for Generation IV Systems, NATO Science for Peace and Security Series B, Editions Springer, 501-521 (2008)

[4] D. Bestion, “The physical closure laws in the CATHARE code”, NED vol 124, 1990.

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Sujet de stage : Analyse et simulation d’essais expérimentaux de décharge de vapeur pour les modèles d’échange du logiciel CATHARE3

Durée : 6 mois

Démarrage : dès que possible en 2022 Lieu : CEA-Saclay, site de Saclay

Laboratoire d’accueil : DES/ISAS/DM2S/STMF/LATF Futurs encadrants ou contacts :

CHAZOTTES Arnaud, STMF/LATF (mail : Arnaud.chazottes@cea.fr) SARGENTINI Lucia, STMF/LATF (mail : lucia.sargentini@cea.fr) Diplôme préparé : Bac+5 – Master 2 / Diplôme École d'ingénieurs Possibilité de poursuite en thèse : non

Mots-clés : Simulation et analyse d’essais expérimentaux, implémentation

Contexte

Depuis plusieurs années, l’installation RIVA (RIsque VApeur) est exploitée au sein du Laboratoire d'Instrumentation et d'Expérimentation en mécanique des Fluides et Thermohydraulique (LIEFT). Composée d’un générateur de vapeur (GV), d’une enceinte réceptrice représentant une enceinte de confinement et d’une tuyauterie de connexion reliant ces deux volumes, elle permet de produire des décharges de vapeur du GV vers le récepteur et, ainsi, de simuler la rupture de tuyauterie vapeur d’un circuit secondaire de réacteur nucléaire.

Lors de tels essais, la dynamique du jet, la structure de l’écoulement qui se développe dans le récepteur et les échanges thermiques en paroi jouent un rôle primordial dont l’étude est indispensable à la compréhension des phénomènes physiques se produisant dans l’installation.

Par ailleurs, ces essais qui servent à alimenter la base de validation de différents codes de calcul utilisés dans le Service de Thermohydraulique et de Mécanique des Fluides (STMF), contribuent, notamment, à l’amélioration du code à l’échelle système CATHARE.

Objectifs

Suite aux évolutions du logiciel (CATHARE3), une modélisation plus « fine » de l’installation est actuellement envisageable, sous réserve de disposer des données expérimentales adéquates. Le travail proposé lors de ce stage se focalisera sur cet aspect et consistera à :

 comprendre et exploiter les données expérimentales produites sur l’installation RIVA en se concentrant sur la relation entre échange thermique en paroi et vitesse d’écoulement ;

 comparer les données expérimentales et de simulation produites par le logiciel CATHARE3 afin d’évaluer les apports de la nouvelle modélisation ;

 implémenter et évaluer de nouveaux modèles dans le logiciel CATHARE3

Environnement de travail

Le DM2S développe des outils de simulation pour la conception et l'évaluation de systèmes dans les disciplines de base du nucléaire, i.e. thermohydraulique, thermomécanique et neutronique, toutes

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14 filières confondues. Il s'appuie pour cela sur des essais et des plateformes logicielles, développées en interne ou en partenariat.

Il les met en œuvre dans le cadre d'études, notamment dans les domaines de la physique des réacteurs, de la tenue mécanique et de l'intégrité des structures des installations nucléaires sous sollicitations et de la conception de systèmes de nouvelle génération.

Au sein du DM2S, le Service de Thermohydraulique et de la Mécanique des Fluides (STMF - 115 personnes) :

- conçoit, développe et qualifie les logiciels de simulation de la thermohydraulique et de la mécanique des fluides pour les réacteurs et installations nucléaires aux différentes échelles ;

- conçoit et réalise des programmes expérimentaux en support à la compréhension des phénomènes et à la validation des modèles physiques implantés dans les logiciels ;

- réalise les études et expertises qui lui sont confiées pour des applications nucléaires et quelques- unes hors nucléaire dans le domaine énergétique.

Le LIEFT conçoit, assemble et exploite des maquettes à différentes échelles, développe des techniques d’instrumentation avancées et réalise des programmes d’essais expérimentaux afin de fournir des données expérimentales nécessaires à la validation de modèles physique ou de codes de calculs Le LATF réalise des études de thermohydraulique pour les réacteurs électrogènes, pour ceux de la défense (PN et RES) et pour les réacteurs expérimentaux. Ces études sont réalisées avec l'aide de différents codes, pour la plupart développés en interne au DM2S (Cathare, Flica, TrioMC, Cast3M...).

Compétences requises ou souhaitées

Le/la candidat/e doit avoir un goût prononcé pour la modélisation des systèmes thermohydrauliques complexes et la mécanique des fluides, qui sont des disciplines d’intérêt dans l’industrie actuelle. La connaissance du système d’exploitation Linux, des logiciels Python et Gnuplot sera un plus.

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Sujet de stage : Amélioration des modèles de ballonnement des gaines combustible avec le code de calcul thermo-hydraulique CATHARE-3

Durée : 6 mois

Laboratoire d’accueil : DES/ISAS/DM2S/STMF/LMES Futurs encadrants ou contacts :

Raphaël PREA (raphael.prea@cea.fr)

Maxime VERNASSIERE (maxime.vernassiere@cea.fr) Diplôme préparé : Bac+5 – Master 2 / Diplôme École d'ingénieurs Possibilité de poursuite en thèse : non

Contexte

Dans un réacteur nucléaire, la gaine du combustible représente la première barrière de confinement.

Son rôle est d’empêcher les radionucléides formés dans le combustible de se répandre dans le circuit primaire. L’intégrité et le refroidissement de la gaine représentent donc un enjeu majeur de sûreté.

Dans le cas de scénarii d’accidents, tel que la perte du réfrigérant primaire par une brèche (APRP), les gaines de combustible peuvent gonfler, induisant un blocage partiel ou total du débit d’eau circulant dans le cœur. Ce phénomène est appelé ballonnement du combustible. Ce blocage peut avoir un impact majeur sur la redistribution des débits dans le cœur, les transferts de chaleur dans la zone bloquée, et donc avoir une grande influence sur la température de la gaine. En cas de température de gaine trop élevée, la gaine pourrait être amenée à rompre voire à fondre, c’est pourquoi de tels accidents sont étudiés pour s’en prévenir.

Afin de pouvoir étudier le phénomène de ballonnement des gaines, des expériences simples, sans combustible, ont été mises en place et instrumentées. De ces expériences ont été déduits des modèles de comportement des écoulements fluides en présence de gaines ballonnées. Ces modèles sont ensuite implémentés dans les codes de calcul scientifique pour simuler le transitoire désiré.

Le CEA et ses partenaires industriels (Framatome, EDF et l’IRSN) utilisent le code de simulation thermohydraulique diphasique CATHARE-3 pour modéliser les écoulements fluides dans le cœur.

Actuellement, pour simuler le comportement hydraulique autour des gaines ballonnées, le code CATHARE-3 est utilisé dans les études de sûreté menées par EdF et Framatome.

Objectifs

Le CEA et ses partenaires souhaitent faire évoluer les modèles de ballonnement dans le code CATHARE 3, l’objectif du stage est d’évaluer une nouvelle façon de prendre en compte la limitation du débit au travers la zone ballonnée.

Pour ce faire, le stage s’orientera sur les axes suivants :

— Prise en main du code CATHARE-3 et de ses modèles de ballonnement et de la base expérimentale associée ;

— Prise en main du nouveau modèle de limitation de débit au travers la zone ballonnée ;

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— Validation du nouveau modèle sur la base expérimentale et calage éventuel des coefficients du nouveau modèle ;

— Comparaison avec les résultats obtenus avec l’ancien modèle ;

— Réalisation d’étude de sensibilité au maillage et à d’autres paramètres identifiés ;

— Rédaction du rapport de stage et éventuellement d’une note de validation associée au nouveau modèle/

Compétences requises ou souhaitées

— Thermo-hydraulique diphasique, mécanique des fluides

— Utilisation de codes de calcul scientifique

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Sujet de stage : Adaptation du module neutronique de cinétique ponctuelle du code système CATHARE pour modéliser le comportement

d’un Réacteur à Sel Fondu

Durée : 6 mois

Démarrage : 1^er trimestre 2022 Lieu : CEA-Saclay, site de Saclay

Laboratoire d’accueil : DES/ISAS/DM2S/STMF/LMES

Futurs encadrants ou contacts : Marine ANDERHUBER (mail : marine.anderhuber@cea.fr) et Nathan GREINER (mail : nathan.greiner@cea.fr)

Diplôme préparé : Bac+5 – Master 2 / Diplôme École d'ingénieurs Possibilité de poursuite en thèse : non

Mots-clés : RSF, MSR, Neutronique, Thermohydraulique, Simulation numérique, CATHARE-3

Contexte

Un réacteur nucléaire de fission se constitue en général d’un cœur dans lequel se trouve le combustible. La chaleur générée dans le combustible par les réactions de fission est évacuée par un fluide caloporteur qui transfère la chaleur vers un circuit secondaire hors du cœur du réacteur. Dans la majorité des concepts, le combustible nucléaire (uranium ou plutonium) se trouve sous forme solide au sein du cœur (sous forme de pastilles dans des gaines).

Dans le concept de RSF (Réacteur à Sels Fondus) ou MSR (Molten Salt Reactor) en anglais, le combustible nucléaire est dissous dans un sel fondu : le combustible nucléaire est donc liquide. Ce sel combustible parcourt l’ensemble du « circuit combustible » : le sel va de la zone critique (en vert sur le schéma ci-dessous, où ont lieu les réactions de fissions et où le sel monte en température) aux échangeurs de chaleur (en orange, où la chaleur du sel combustible est prélevée), puis le sel refroidi retourne vers la zone critique pour refaire des réactions de fission et remonter en température. Le schéma de principe ci-dessous montre la circulation du sel combustible dans le réacteur.

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18 Schéma de principe d’un MSR

L’utilisation d’un combustible liquide présente des avantages potentiels considérables en termes de sûreté intrinsèque, de pilotabilité du niveau de puissance (compatible avec le développement des EnR électriques intermittentes), de gestion des déchets (en réduisant leur durée de vie), de fermeture du cycle du combustible (permettant la fermeture des mines), de compacité, etc.

Du fait de ces potentialités, les études sont menées dans quantité de pays à l’international. En France, le CEA, en tant que principal organisme en charge de l’avenir du nucléaire, s’intéresse à ce concept très prometteur, et développe pour cela des outils d’analyse numérique dédiés à ce type de réacteur.

L’objectif du stage proposé est de participer au développement de ces outils numériques.

Le calcul précis de la distribution du flux neutronique au sein de la zone critique requiert la connaissance fine de la distribution de la température et des précurseurs de neutrons retardés au sein du sel combustible. En retour, ces distributions de température et de précurseurs dépendent de la distribution des réactions de fission (neutronique) au sein du sel combustible. Un MSR requiert donc un couplage neutronique/thermohydraulique pour l’évaluation du flux neutronique, que ce soit en régime permanent ou transitoire. Pour cela, l’approche la plus précise consiste en un couplage entre une thermohydraulique de type CFD et un code de neutronique très précis. Dans ce cadre, le CEA met actuellement au point un couplage neutronique/thermohydraulique entre le code neutronique APOLLO3 et le code de CFD TrioCFD. Cependant, la mise en œuvre, lors des études de conceptions, d’un tel couplage est très coûteuse en ressources de calcul. Ce couplage est de ce fait voué à être utilisé uniquement dans des situations très particulières et pour réaliser des calculs de référence. Le recours à un code beaucoup moins gourmand en temps et en ressources de calcul est donc nécessaire pour mener les études.

L’analyse des transitoires de sûreté dans les filières de réacteurs (REP, RNR-Na, etc.) s’effectue industriellement aujourd’hui à l’aide de « codes systèmes » qui résolvent des équations de neutronique et de thermohydraulique moyennées en temps et en espace sur de larges volumes : ils sont plus rapides. Les phénomènes intervenants à une échelle inférieure à cette échelle macroscopique de modélisation (ceux étudiés par la CFD et les codes de transport neutronique) sont modélisés par des relations de fermeture. Au CEA et en France, les codes CATHARE-2, et plus récemment CATHARE-3, sont les codes systèmes de référence pour les études de sûreté des réacteurs à l’échelle nationale.

Objectifs

Le stage proposé consiste à participer à la première mise en œuvre d’un calcul de type « système » utilisant un module neutronique de cinétique ponctuelle, avec le code CATHARE-3, pour un réacteur de type MSR.

Après une initiation au fonctionnement global d’un MSR, les travaux constitueront en : - Une prise en main du code CATHARE-3 ;

- Une appropriation de l’expérience Aircraft Reactor Experiment (ARE) réalisée à ORNL dans les années 50 ;

- Une appropriation du jeu de données CATHARE-3 de l’ARE réalisé en 2021 modélisant la boucle cœur et les systèmes de refroidissement de l’ARE et ne simulant à ce jour que des régimes permanents à puissance imposée ;

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19 - La modification de ce jeu de données afin d’utiliser le module de neutronique ponctuelle de CATHARE-3 pour calculer la puissance du cœur, et une première comparaison avec les résultats de l’expérience ;

- Une compréhension du modèle de neutronique ponctuelle actuel embarqué dans le code CATHARE-3 ;

- Une compréhension des besoins liés au comportement neutronique spécifique des MSR ; - Une recherche bibliographique des solutions envisagées pour d’autres codes système ; - L’élaboration d’une solution implémentable dans le code CATHARE-3 ;

- L’implémentation de la solution dans le code (développement en C++) ; - Une première vérification de la solution sur un cas analytique si possible ;

- Une première validation de la solution via la simulation d’un essai de pilotage de la puissance dans l’ARE par action sur le débit du circuit de refroidissement.

Les calculs APOLLO3-TrioCFD réalisés en parallèle par le reste de l’équipe pourront servir de support à l’analyse, la compréhension et à la mise au point des calculs CATHARE-3.

Ce stage s’adresse à un étudiant motivé par la réalisation d’actions de R&D en relation avec un concept innovant de réacteur nucléaire.

Environnement de travail

Le stage sera effectué au sein du département DM2S de l’institut ISAS au CEA-Saclay. Plus précisément, le stagiaire sera rattaché au Service de Thermohydraulique et de Mécanique des Fluides (STMF) en collaboration étroite avec le SErvice des Réacteurs et des Mathématiques appliqués (SERMA). En effet, l’équipe MSR est transverse au STMF (pour la thermohydraulique) et au SERMA (pour la neutronique) et le stagiaire aura des interactions (réunions, discussions, travaux, résultats, etc.) avec l’ensemble des membres de l’équipe.

Compétences requises ou souhaitées

Utilisation et développement du code de calcul CATHARE-3 en langage C++ ; environnement LINUX.

Profil recherché

Formation Master 2, 3ème année d’école d’ingénieur, ou équivalent en neutronique, en mécanique des fluides ou en génie nucléaire.

Un goût pour l’innovation, les sujets amonts, les études transverses et les équipes pluridisciplinaires seront un plus.

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Sujet de stage : Etude expérimentale de l’écoulement d’un jet liquide incliné

Durée : 6 mois

Laboratoire d’accueil : DES/ISAS/DM2S/STMF/LIEFT Futurs encadrants ou contacts :

LEDIER Constantin, STMF/LIEFT (mail : constantin.ledier@cea.fr) SARGENTINI Lucia, STMF/LATF (mail : lucia.sargentini@cea.fr) GHIONE Alberto, STMF/LATF (mail : alberto.ghione@cea.fr) Diplôme préparé : Bac+5 – Master 2 / Diplôme École d'ingénieurs Possibilité de poursuite en thèse : non

Mots-clés : jet incliné, expérimentation, instrumentation

Contexte

Lors d’un accident de Perte de Réfrigérant Primaire dans un réacteur à eau pressurisé, le cœur peut se vider de l’eau de refroidissement et la température du combustible nucléaire peut augmenter. Ces deux phénomènes sont dangereux pour la sécurité du réacteur. Afin de continuer à réfrigérer le cœur, de l’eau froide est injectée via un tuyau, dit injection de sécurité (IS), dans la branche froide du réacteur. L’eau injectée peut rentrer en contact direct avec de la vapeur et de l’eau plus chaude. La vapeur condense alors et ce liquide atteint le cœur. Estimer la condensation à l’IS est donc fondamental pour connaitre la température du liquide qui participe au refroidissement.

La forme du jet d’eau déversée dans la branche et l’écoulement dans le tuyau d’injection ont un fort impact sur la quantité de fluide condensé. De plus, l’IS a des caractéristiques qui peuvent différer selon le type de réacteur : par exemple, elle peut être inclinée par rapport à la branche ou être horizontale.

L’écoulement peut donc être stratifié (une phase liquide et une phase vapeur) ou alors avoir une section pleine de liquide (une seule phase liquide). Les conditions d’injection peuvent varier en température, débit et pression.

Dans la littérature scientifique, un nombre limité d’expériences ont été réalisées pour évaluer l’impact de l’écoulement dans le tuyau d’injection sur la condensation dans la branche et des données expérimentales complémentaires sont nécessaires.

Objectifs

Le travail consiste à exploiter une maquette expérimentale composée d’un tuyau inclinable et d’une piscine. Il s’agit d’étudier et comprendre l’écoulement eau-air dans le tuyau pour des conditions variables de débit et pression. Différents moyens de mesures sont envisagés : débitmètre, camera rapide, PIV…

L’objectif du stage consiste donc à exploiter la base de données expérimentales acquise, l’analyser et l’interpréter. Il s’agira plus précisément :

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 de comprendre les essais qui ont été réalisés, définir leur(s) domaine(s) de validation, visualiser les grandeurs d’intérêt, comparer les différentes expériences entre elles ;

 d’évaluer les différents modèles disponibles dans la littérature pour la trajectoire du jet ;

 de proposer éventuellement un nouveau modèle de stratification pour les tuyaux inclinés et de surface du jet.

Environnement de travail

Le DM2S développe des outils de simulation pour la conception et l'évaluation de systèmes dans les disciplines de base du nucléaire, i.e. thermohydraulique, thermomécanique et neutronique, toutes filières confondues. Il s'appuie pour cela sur des essais et des plateformes logicielles, développées en interne ou en partenariat.

Il les met en œuvre dans le cadre d'études, notamment dans les domaines de la physique des réacteurs, de la tenue mécanique et de l'intégrité des structures des installations nucléaires sous sollicitations et de la conception de systèmes de nouvelle génération.

Au sein du DM2S, le Service de Thermohydraulique et de la Mécanique des Fluides (STMF - 115 personnes) :

 conçoit, développe et qualifie les logiciels de simulation de la thermohydraulique et de la mécanique des fluides pour les réacteurs et installations nucléaires aux différentes échelles ;

 conçoit et réalise des programmes expérimentaux en support à la compréhension des phénomènes et à la validation des modèles physiques implantés dans les logiciels ;

 réalise les études et expertises qui lui sont confiées pour des applications nucléaires et quelques- unes hors nucléaire dans le domaine énergétique.

Le LIEFT conçoit, assemble et exploite des maquettes à différentes échelles, développe des techniques d’instrumentation avancées et réalise des programmes d’essais expérimentaux afin de fournir des données expérimentales nécessaires à la validation de modèles physiques ou de codes de calcul.

Le LATF réalise des études de thermohydraulique pour les réacteurs électrogènes, pour ceux de la défense (PN et RES) et pour les réacteurs expérimentaux. Ces études sont réalisées avec l'aide de différents codes, pour la plupart développés en interne au DM2S (Cathare, Flica, TrioMC, Cast3M...).

Compétences requises ou souhaitées

Le candidat devrait avoir idéalement un goût prononcé pour la réalisation et l’exploitation de maquettes expérimentales et pour la mécanique des fluides.

Une bonne connaissance du système d’exploitation Windows/Linux, d’Excel, Python/Matlab sera un plus.

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Sujet de stage : Intégration d’un modèle de partitionnement du flux thermique pariétal dans le code Flica5

Durée : 6 mois

Démarrage : avril 2022

Laboratoire d’accueil : DES/ISAS/DM2S/STMF/LATF

Futurs encadrants ou contacts : Gauer Jean-Eudes, SMTF/LATF (mail : jeaneudes.gauer@cea.fr) Diplôme préparé : Bac+5 – Master 2 / Diplôme École d'ingénieurs

Possibilité de poursuite en thèse : non

Mots-clés : Transferts thermiques, mécanique des fluides diphasiques, partitionnement du flux pariétal

Contexte

Au sein du département de modélisation des systèmes et des structures (DM2S) au CEA Saclay, le Service de Thermohydraulique et de la Mécanique des Fluides (STMF) :

 réalise les études et expertises qui lui sont confiées pour des applications nucléaires et quelques-unes hors nucléaire dans le domaine énergétique.

L’objectif principal de ces logiciels de simulations est de déterminer la marge à la crise d’ébullition pour différents types de scénarios accidentels en fonction des paramètres de conception du cœur (point de fonctionnement, dimensions géométriques, etc).

Le STMF a en charge la mise au point et la validation de codes de calcul thermohydraulique. Parmi ces codes, Flica5 permet la simulation d’écoulements mono et diphasiques au sein de cœurs de réacteurs nucléaires. Ce code repose sur un modèle du fluide à quatre équations moyennées en temps et en espace. L’encombrement du milieu est représenté par l’application d’une porosité au fluide. Afin de fermer le système des inconnues, de nombreuses corrélations sont employées et validées grâce à différentes campagnes expérimentales.

L’une de ces corrélations permet de modéliser le partitionnement du flux thermique en paroi en déterminant la fraction du flux employée pour chauffer la phase liquide et, en cas d’écoulement diphasique, la fraction employée pour provoquer l’ébullition. Cette corrélation a donc un impact élevé sur la quantité de vapeur générée dans l’écoulement.

Actuellement, le modèle de partitionnement du flux thermique pariétal employé dans Flica5 est un modèle simplifié. Néanmoins, depuis les travaux de Griffith (1958) puis Bowring (1962) sur le sujet, plusieurs nouveaux modèles permettant de mieux capter les différents phénomènes physiques en jeu ont été proposés. Warrier (2006) et Baglietto (2018) détaillent ces différents modèles.

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Objectifs

L’objectif de ce stage est d’intégrer la corrélation empirique de Lahey (1978) assez répandue dans les codes CFD et la corrélation mécanistique de Gilman (2017) dans le code Flica5 afin de vérifier leurs capacités à déterminer la quantité de vapeur générée dans un canal rectangulaire avec un écoulement diphasique.

Le travail proposé se déclinera en plusieurs phases : 1) Intégration des corrélations au code Flica5 ;

2) Mise en données de campagnes expérimentales afin de mener une étude préliminaire sur le comportement des deux corrélations (précision de la solution obtenue avec Flica5 par rapport aux essais, robustesse des calculs avec Flica5, sensibilité aux paramètres principaux) ;

3) Analyse de sensibilité et optimisation des paramètres des corrélations sur la base expérimentale de validation du code Flica5 (essai en taux de vide);

4) Essai sur un cas réel et conclusion sur le modèle le plus pertinent.

Environnement de travail

Le stage se déroulera au centre CEA de Saclay au sein du LATF

Compétences requises ou souhaitées

Autonomie, curiosité, force de proposition, sens physique

Profil recherché

Etudiant/étudiante en dernière année d’école d'ingénieur ou en master 2 en mécanique des fluides Spécialisé dans l’un de ces trois domaines : en mécanique des fluides, transferts thermiques, écoulements monophasiques/diphasiques.

Une certaine aisance à la simulation numérique est aussi demandée.

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Sujet de stage : Simulation d’essais d’écoulements diphasiques dans un convergent-divergent en conditions thermohydrauliques

représentatives d’un réacteur nucléaire

Durée : 6 mois

Démarrage : courant 2022 Lieu : CEA-Saclay, site de Saclay

Laboratoire d’accueil : DES/ISAS/DM2S/STMF/LATF Futurs encadrants ou contacts :

Willy De Almeida-Le Coq, STMF/LATF (willy.de-almeida-lecoq@cea.fr) Yannick Gorsse, SMTF/LMEC (Yannick.gorsse@cea.fr)

Diplôme préparé : Bac+5 – Master 2 / Diplôme d’École d'ingénieurs Possibilité de poursuite en thèse : non

Mots-clés : Modélisation thermohydraulique, Mécanique des fluides

Description de l’unité

Au sein du département de modélisation des systèmes et des structures (DM2S) au CEA Saclay, le Service de Thermohydraulique et de la Mécanique des Fluides (STMF) :

 réalise les études et expertises qui lui sont confiées pour des applications nucléaires et quelques-unes hors nucléaire dans le domaine énergétique.

Objectifs

L’objectif du stage est de modéliser et simuler des expériences d’écoulement stationnaires d’un fluide dans un convergent-divergent afin d’étudier le phénomène physique d’évaporation rapide, aussi appelé « flashing ». Ce phénomène se rencontre lors de scénarii accidentels de dépressurisation et est simulé en utilisant un code de calcul composant poreux développé par le CEA (FLICA5).

Afin d’améliorer la simulation de ce phénomène, une étude bibliographique menée en 2020 a permis d’identifier des modèles d’échange de masse entre phase disponibles dans la littérature scientifique ainsi qu’une banque de données expérimentales pertinentes. Ce stage propose de modéliser certaines de ces expériences et de s’appuyer sur des comparaisons calcul-mesure pour identifier un modèle adapté à notre domaine d’utilisation et de déterminer ses capacités prédictives. Ces modèles d’échange de masse entre phases ont été validés sur un domaine qui ne correspond pas nécessairement au domaine d’utilisation visé. Pour cette raison, une étude de sensibilité sur certains paramètres pourra être menée pour potentiellement adapter leur domaine d’utilisation.

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25 Après une prise en main du code de calcul FLICA5 et des données bibliographiques disponibles, le travail à réaliser par le/la stagiaire consistera premièrement à définir une modélisation représentative des essais. Puis, il s’agira d’implémenter de nouveaux modèles de flashing dans le code de calcul.

Ensuite, il faudra simuler les essais, et comparer les résultats de calcul avec les mesures disponibles.

Une analyse de sensibilité sera réalisée et une optimisation des paramètres du modèle retenu sera effectuée.

Compétences requises ou souhaitées

Qualités requises : Intérêt pour la simulation, sens physique et regard critique Compétences : simulation, thermohydraulique, mécanique des fluides.

Profil recherché

Dernière année d’école d’ingénieurs / master en mécanique des fluides

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Sujet de stage : Modélisation CFD d’un réacteur nucléaire complet de type VVER-1000

Durée : 6 mois

Démarrage : Mars 2022

Raksmy Nop, (raksmy.nop@cea.fr) Ulrich Bieder, (ulrich.bieder@cea.fr)

Diplôme préparé : Bac+5 – Master 2 / Diplôme d’École d'ingénieurs Possibilité de poursuite en thèse : non

Mots-clés : Mécanique des fluides, CFD, turbulence, HPC, réacteur nucléaire

Contexte

La mécanique des fluides numérique, ou CFD (Computational Fluide Dynamics), est aujourd'hui largement utilisée dans la conception des nouveaux réacteurs nucléaires ainsi que dans les analyses de sûreté des réacteurs existants. Avec le développement du HPC (High Performance Computing), il est possible de simuler des domaines géométriques de plus en plus larges. Ainsi on est capable de simuler l’ensemble d’un réacteur nucléaire sous réserves de quelques hypothèses simplificatrices et choix de calculs, comme par exemple en modélisant un domaine complexe en utilisant une approche de type poreux ou sous-canal.

Dans le cadre d’un projet européen visant à améliorer les codes de calcul et méthodes en CFD impliqués dans les études de sûreté nucléaire, un groupe d’organismes (industriels, instituts de recherche…) vont modéliser un réacteur complet de type VVER-1000. Du fait de son expérience reconnue dans la modélisation de ce type de réacteur [1], le CEA va réaliser un calcul de référence qui permettra de comparer les résultats des autres codes.

Objectifs

L'objectif de ce stage est de contribuer à ce calcul de référence. À partir du modèle CAO fourni par nos partenaires, le but est de développer un modèle complet de la thermohydraulique complexe du réacteur nucléaire incluant l'écoulement dans l'espace annulaire, le plénum inférieur, le cœur et un plénum supérieur simplifié (cf. figure). La majorité du travail sera consacrée à la finalisation du modèle cœur et au couplage de ce modèle aux écoulements dans les plénums inférieur et supérieur.

L'originalité du travail réside dans le couplage dynamique entre :

 le cœur qui sera modélisé par des sous-canaux fluides formés par les assemblages combustibles,

 les plénums inférieur et supérieur qui seront modélisés avec une approche de type RANS.

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27 La modélisation sera faite avec TrioCFD [2]. La taille du maillage prévu demandera l'utilisation des ressources HPC des supercalculateurs du TGCC [3].

Figure. Schéma représentatif d’un réacteur de type VVER-1000 Références :

[1] ftp://ftp.cea.fr/pub/Trio_U/TRUST/documentation/Publications/2016-NUTHOS_Feng.pdf [2] https://triocfd.cea.fr/

[3] http://www-hpc.cea.fr/fr/complexe/tgcc-curie.htm

Environnement de travail

Le stage se déroulera au centre CEA de Saclay au sein du Laboratoire du Modélisation et de Simulation en mécanique des Fluides.

Compétences requises ou souhaitées

Mécanique des Fluides, Simulation Numérique. Une connaissance en ingénierie électronucléaire ainsi qu’une expérience avec l’environnement Unix serait souhaitable.

Profil recherché

Étudiant.e en dernière année d’école d’ingénieur ou en Master 2 en mécanique des fluides ou en simulation numérique.

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Sujet de stage : Simulation numérique de l’interaction entre un écoulement axial et un cylindre élancé

Durée : 6 mois

Maria Adela Puscas, LMSF (maria-adela.puscas@cea.fr) Romain Lagrange, SEMT/DYN (romain.lagrange@cea.fr) Diplôme préparé : Bac+4/5 – Master / Diplôme d’École d'ingénieurs Possibilité de poursuite en thèse : non

Contexte

L'interaction fluide-structure (IFS) sous un écoulement axial externe confiné a fait l'objet de nombreux travaux depuis les années 70 suite aux problèmes rencontrés, notamment dans le nucléaire. Ces travaux sont reportés dans l'ouvrage de référence de Païdoussis où figurent en particulier les études menées par le CEA. La maturité de la simulation numérique et les performances des clusters permettent aujourd’hui de traiter numériquement ces problèmes de couplage fluide-structure pour des géométries et des écoulements plus complexes.

Objectifs

L'objectif du stage consiste à réaliser des simulations numériques pour déterminer la force exercée par un écoulement axial sur un cylindre élancé. Nous chercherons en particulier à comprendre l'influence de la vitesse de l’écoulement sur les caractéristiques de la force fluide (masse et amortissement ajoutés) et du seuil d’instabilité (sélection du mode de l’instabilité, fréquence et taux de croissance).

Les simulations numériques (2D et 3D) seront réalisées avec le code de calcul TrioCFD, couplé avec le module ALE (Arbitrary Lagrangian Euler method) permettant une prise en compte du mouvement de la structure immergée dans le calcul de son interaction avec le fluide en écoulement. Ces simulations devront également permettre d'accéder aux structures de l'écoulement (champs de vitesse, pression, vorticité) afin d'établir une corrélation entre les caractéristiques locales de l'écoulement et les variations du chargement mécanique s’exerçant sur le cylindre. Les résultats numériques seront confrontés aux modèles théoriques de la littérature et permettront d’alimenter les pistes de réflexions sur les instabilités en écoulement axial.

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29 Figure : Représentation dans le plan complexe de la fréquence et de l’amortissement des modes

d'instabilité en écoulement axial

Environnement de travail

Ce stage s'inscrit au sein d'une collaboration entre le laboratoire d’étude de DYNnamique (DYN) et le Laboratoire de Modélisation et Simulation en mécanique des Fluides (LMSF).

Moyens mis en œuvre

Calculs CFD, analyse de stabilité, étude paramétrique

Compétences requises

Mécanique des Fluides

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Sujet de stage : Modélisation moyennée d’écoulements diphasiques en canal à partir de simulations CFD : remontée d’échelle pour application

aux réacteurs à plaques

Durée : 6 mois

Guillaume Bois (guillaume.bois@cea.fr, tél. : 01 69 08 69 86) Diplôme préparé : Bac+5 – Master / Diplôme d’École d'ingénieurs Possibilité de poursuite en thèse : non

Contexte

Pour évaluer la sûreté des installations nucléaires, le CEA développe, valide et utilise des outils de simulation en thermohydraulique. Il s’intéresse en particulier à la modélisation des écoulements diphasiques eau-vapeur par différentes approches de la plus fine à la plus intégrale. Afin de mieux comprendre les écoulements diphasiques, le laboratoire travaille à la mise en place d’une démarche multi-échelles où des simulations locales (instantanées ou moyennées statistiquement) sont utilisées pour construire des modèles homogénéisés spatialement. Ces travaux s’appuient sur un modèle moyenné de type RANS, implémenté dans le code quadripartite Neptune_CFD (CEA, EDF, Framatome, IRSN), pour conduire des simulations CFD (simulation numérique d’écoulements turbulents monophasiques ou diphasiques). Celles-ci restent chères et elles ne sont pas employées directement pour les études de sûreté des réacteurs nucléaires. Pour réaliser un grand nombre de simulations paramétriques, des codes de thermohydraulique moyennée (homogénéisation spatiale), dédiés aux applications (par ex. le code cœur FLICA), sont utilisés. Ils permettent de simuler le comportement thermohydraulique d'un cœur de réacteur à l’échelle d’un « composant » ou d’un « sous-canal » au moyen de modèles qui prédisent l'évolution de grandeurs physiques moyennées en espace et en temps. Une partie de ces modèles est validée par des données expérimentales, mais pour ceux qui impliquent des mécanismes très multi-dimensionnels, turbulents, et parfois diphasiques, les données disponibles pour leur qualification sont peu nombreuses et leur interprétation est difficile.

Or, une formulation explicite de ces modèles a été obtenue théoriquement par une analyse dite de remontée d’échelle (processus de moyenne). La solution locale obtenue à l’échelle CFD peut alors être considérée comme référence. Des travaux s’appuyant sur des études CFD, sur de l’analyse théorique et sur des post-traitements peuvent être engagés. Ils ont permis de formuler et calibrer des modèles de diffusion et mélange turbulent, à la fois dans le cadre monophasique et diphasique. Ces progrès sont importants pour assoir la validité de modèles manquant de données expérimentales, afin de satisfaire les exigences croissantes de sûreté et de performances des codes de calculs.

Objectifs

L’objectif du stage proposé est de poursuivre cette approche pour évaluer les modèles macroscopiques à partir de simulations CFD. Le candidat devra compléter les configurations étudiées

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31 jusqu’à présent par de nouvelles simulations CFD diphasiques. Il s’agit de simulations HPC (Calcul Haute Performance) sur cluster avec le code Neptune_CFD. A partir de considérations théoriques et de ces données CFD de référence, il devra accéder aux valeurs des termes à modéliser pour l’écoulement étudié (à l’aide de post-traitements déjà développés). La comparaison de ces données aux modèles classiques utilisés à l’échelle poreuse permettra d’évaluer la modélisation et de juger la calibration de certains paramètres. C’est ce que l’on appelle une démarche multi-échelle puisque des données locales de CFD sont utilisées pour renseigner des modèles à une échelle moyennée en espace (dite « poreuse »).

Cette démarche a permis de calibrer avec succès le modèle de mélange turbulent de l’énergie dans le cadre des écoulements monophasiques, et de montrer les limitations du modèle moyenné diphasique existant. Le candidat devra analyser physiquement les écoulements prédits et s’appuyer sur la littérature pour modéliser les instabilités observées et le mélange de la vapeur en fonction des conditions globales de l’écoulement.

Description du déroulement du stage : 1. Simulations HPC diphasiques.

2. Analyse physique des résultats, construction des termes macroscopiques.

3. Evaluation des modèles existants, proposition de nouveaux modèles.

Compétences requises

Compétences : Mécanique des fluides, simulation numérique, modélisation, thermohydraulique.

Qualités requises : Intérêt pour la simulation numérique, esprit d’analyse et de synthèse, regard critique.

La nationalité doit être compatible avec l’habilitation requise.

Profil recherché

Étudiant.e en dernière année d’école d’ingénieur ou en Master 2

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Sujet de stage : Intégration d’un modèle neuronal du tenseur de Reynolds dans le logiciel de simulation en mécanique des fluides

TRUST/TrioCFD

Durée : 6 mois

Démarrage : début 2022, voire avant si possible Lieu : CEA-Saclay, site de Saclay

Pierre-Emmanuel Angeli (LMSF) 01 69 08 47 21 pierre-emmanuel.angeli@cea.fr Elie Saikali (LGLS) 01 69 08 82 79 elie.saikali@cea.fr

Guillaume Damblin (LGLS) 01 69 08 39 18 guillaume.damblin@cea.fr Diplôme préparé : Bac+5 – Master / Diplôme d’École d'ingénieurs

Possibilité de poursuite en thèse : non

Contexte

En simulation numérique de la turbulence, les modèles RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) permettent de résoudre les grandeurs moyennes des écoulements pour un coût de calcul très inférieur à la résolution « exacte » par simulation numérique directe ou DNS (voir figure ci-dessous). Ils exigent cependant un important effort de modélisation. La modélisation du tenseur de Reynolds qui intervient en RANS est traditionnellement faite soit par une fermeture linéaire simpliste, soit par des fermetures non linéaires plus prédictives. Une voie récente et en plein essor est de faire apprendre ce type de modèle par des réseaux de neurones, afin de gagner en universalité et en précision. Il s’agit pour cela d’utiliser des solutions de référence obtenues par DNS et de déployer des architectures neuronales adaptées. Cette démarche a été initialement mise en oeuvre par Ling et al. [2] qui ont proposé une architecture de réseau basée sur le modèle de Pope [1], dont la force est de respecter les invariances des équations de Navier-Stokes.

Figure. En haut : champ de vitesse instantanée obtenu par DNS dans un canal avec obstacle. En bas : champ de vitesse moyennée temporellement tel que le donnerait un modèle RANS.

Depuis trois ans, un fort dynamisme a été initié au CEA autour de cette activité alliant CFD et apprentissage machine dans l’unité d’accueil du stage, le Service de Thermohydraulique et de

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33 Mécanique des Fluides (STMF) : des travaux conséquent ont conduit à l’apprentissage de modèles neuronaux du tenseur de Reynolds à l’aide de TensorFlow, une des bibliothèques Python en Machine Learning, utilisant l’architecture neuronale de [2], et à leur intégration dans le code TrioCFD [6].

Objectifs

Ce stage est proposé dans la continuité de ces travaux et vise à résoudre le problème numérique de l’intégration du modèle neuronal dans le code de calcul. En effet, la manière classique sous une forme explicite conduit à des simulations instables et empêche la validation complète. Ce problème est désormais connu et documenté [3, 4, 5]. Parmi les stratégies proposées dans la littérature pour y remédier, certains auteurs proposent de prendre en compte une partie du tenseur de Reynolds sous forme implicite et l’autre sous forme explicite [3]. Ils parviennent ainsi à des simulations stables et convergentes. L’objectif du stage est donc d’intégrer ces stratégies dans le code de calcul TRUST/TrioCFD développé au CEA (TRUST étant le noyau et TrioCFD l’application basée sur ce noyau servant à réaliser les simulations numériques de la turbulence). Ce travail impliquera notamment la réécriture partielle de l’opérateur de diffusion. Le langage de programmation de TRUST/TrioCFD est le C++.

Le stagiaire travaillera en étroite collaboration avec une doctorante ayant débuté sa thèse en octobre 2021, et sous l’encadrement d’une équipe spécialisée en CFD, méthodes numériques et apprentissage machine au sein de deux laboratoires, le LMSF (Laboratoire de Modélisation et de Simulation en Mécanique des Fluides) et le LGLS (Laboratoire de Génie Logiciel et de Simulation). Le stage débutera par une étude bibliographique succincte (2 ou 3 articles de base à bien comprendre) et par la prise en main du logiciel de simulation employé, à savoir TRUST/TrioCFD.

Ce sujet sera l’occasion pour le candidat de rejoindre une équipe dynamique sur un sujet prometteur s’inscrivant dans une thématique en pleine effervescence dans la communauté des modélisateurs de la turbulence.

Références

[1] S.B. Pope, A more general effective-viscosity hypothesis, J. Fluid Mech., vol. 72, 1975.

[2] J. Ling, A. Kurzawski, J. Templeton, Reynolds averaged turbulence modelling using deep neural networks with embedded invariance, J. Fluid Mech., vol. 807, 2016.

[3] W. Liu, J. Fang, S. Rolfo, C. Moulinec, D.R. Emerson, An iterative machine-learning framework for RANS turbulence modeling, Int. J. Heat Fluid Flow, vol. 90, 2021.

[4] J.-L. Wu, H. Xiao, E. Paterson, Physics-informed machine learning approach for augmenting turbulence models: A comprehensive framework, Phys. Fluids, vol. 6, 2018.

[5] J. Wu, H. Xiao, R. Sun, Q. Wang, Reynolds-averaged Navier-Stokes equations with explicit data- driven Reynolds stress closure can be ill-conditioned, J. Fluid Mech., vol. 869, 2019.

[6] Site internet du code TrioCFD (en cours d’évolution) : http://triocfd.cea.fr

Profil recherché

 Niveau Bac+5 (3^e année d’école d’ingénieurs ou Master 2).

 De solides compétences en C++ et méthodes numériques.

 Des connaissances en simulation numérique en mécanique des fluides (CFD).

 La connaissance de Linux serait un plus.

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