Contexte

La modélisation de l’auto-vaporisation est un enjeu majeur en termes de sûreté pour de nombreux systèmes industriels. C’est en particulier le cas pour les circuits primaires des Réacteurs à Eau Pressurisés (REP), ainsi que pour les systèmes d’hydrogène liquide (LH2) - utilisés dans le spatial et envisagés dans l’aviation et le transport lourd en substitution des combustibles fossiles. Lorsqu’une brèche survient dans l’un de ces circuits, le débit de fuite peut être limité par la vitesse sonique de l’écoulement. Ce dernier est alors dit « bloqué » et ne dépend alors plus que des conditions thermohydrauliques dans le circuit, et non des conditions extérieures. Lorsque l’écoulement est proche de la saturation, la dépressurisation donne lieu à une vaporisation du liquide (phénomène d’auto-vaporisation). Il est alors nécessaire de prédire convenablement le taux de vaporisation afin d’estimer de manière fiable la vitesse sonique et donc le débit de fuite.

CATHARE-3 est un code de thermohydraulique à échelle système, conçu initialement pour les études de sûreté des REP et dont le champ d’application a été ouvert progressivement à d’autres industries [1]. Copropriété du CEA, d’EDF, Framatome et de l’IRSN, il se base principalement sur un modèle monodimensionnel à deux fluides (liquide/vapeur). Il dispose de lois de fermetures spécifiques pour les différents transferts de chaleur, de masse ou de quantité de mouvement. CATHARE-3 utilise notamment un modèle empirique basé sur des essais expérimentaux en eau pour prédire l’auto-vaporisation. Celui-ci n’est donc pas, a priori, adapté pour le calcul d’écoulements en hydrogène. De plus, pour les écoulements en eau, la déviation par rapport à l’expérience est non-négligeable dans certaines conditions.

Objectifs

Afin de disposer d’une modélisation plus précise et généralisable à d’autres fluides, un modèle de type dit « mécaniste » (ou « phénoménologique ») est à l’étude. Ce dernier a déjà été implémenté dans CATHARE-3 et testé pour des écoulements en eau. Le premier objectif du stage est de reprendre l’étude de ce modèle sur ces essais et de l’approfondir, afin notamment d’identifier les causes des défauts observés et de les corriger. Il sera alors opportun de dégager les principales tendances du modèle sur la base expérimentale eau et de le comparer au modèle semi-empirique utilisé actuellement pour les applications REP (figure 1). Le second objectif est d’évaluer les capacités du modèle à simuler l’auto-vaporisation pour des écoulements en hydrogène liquide. L’étudiant devra construire la modélisation CATHARE-3 d’une expérience en tuyère issue de la littérature puis comparer les mesures aux résultats expérimentaux. Enfin, selon l’avancement et les résultats obtenus, une étude d’autres modèles d’auto-vaporisation pourra être réalisée, en s’intéressant par exemple au Delayed Equilibrium Model.

[1] Site internet du code CATHARE : https://cathare.cea.fr

Etudiant/étudiante en dernière année d'école d'ingénieur ou en master 2, disposant de bases solides en mécanique des fluides et ayant des notions en programmation et Linux. Des connaissances en thermohydraulique diphasique seraient appréciées.