Le présent stage s’inscrit dans le contexte du développement du code de thermohydraulique CATHARE, permettant de réaliser des simulations d’écoulements monophasiques et diphasiques à l’échelle système et utilisé pour les études de sûreté des réacteurs nucléaires français, en fonctionnement normal et accidentel. Lors d’un accident grave, comme dans le cas d’une brèche dans le circuit primaire, le cœur du réacteur peut se retrouver dénoyé. Afin d’éviter sa fusion, de l’eau est alors réinjectée via un circuit de sécurité, conduisant à un écoulement diphasique ascendant complexe pouvant présenter des gouttelettes d’eau. Afin de simuler ce phénomène dit de "renoyage", il est nécessaire de prédire au mieux le diamètre de ces gouttes, qui a un impact direct sur les échanges interfaciaux de masse, quantité de mouvement et énergie.

Dans les codes systèmes, comme dans certains modèles en CFD où l’interface gaz-liquide n’est pas représentée, le diamètre des gouttes ne peut pas être calculé directement et doit alors être modélisé. Pour cela, il y a deux possibilités : utiliser une corrélation empirique ou résoudre une équation supplémentaire de transport d’aire interfaciale. La première méthode est simple à mettre en œuvre et a l’avantage d’être peu coûteuse numériquement, mais suppose que l’écoulement est établi et nécessite de disposer d’une corrélation valable sur la gamme de paramètres opératoires visée. Contrairement à la première, la deuxième méthode permet une prédiction dynamique donc à fortiori plus précise de l’aire interfaciale dans le cas d’écoulements non-établis, mais elle nécessite la modélisation de termes sources représentatifs des phénomènes de coalescence, fractionnement et changement de phase. Par défaut, le code CATHARE utilise la première méthode. La deuxième méthode, utilisant une équation de transport d’aire interfaciale, est disponible en option. Elle comprend des termes de coalescence, fractionnement et changement de phase valables dans le cas de bulles, développés entre 2002 et 2010 sur la base d’expériences réalisées en interne.

En lien avec la prédiction du phénomène de renoyage, l’objectif du stage est d’étudier le fractionnement d’une goutte seule sous l’effet d’un cisaillement, afin d’en déduire des quantités d’intérêt pour l’établissement d’un terme source correspondant à cet effet dans l’équation d’aire interfaciale de CATHARE. Aucune expérience dans les conditions opératoires du renoyage n’ayant été identifiée dans la littérature, il est proposé d’étudier le fractionnement de cette goutte par simulation numérique directe (direct numerical simulation, ou DNS, en anglais), avec le code TrioCFD, également développé par le CEA. Il sera au préalable nécessaire d’identifier les grandeurs pertinentes à faire varier, et d’établir un plan d’expérience numérique. Les résultats seront ensuite analysés finement et des pistes seront proposées pour l’établissement d’un modèle sous la forme d’un terme source utilisable dans CATHARE.

Compétences : Mécanique des fluides, thermohydraulique, programmation informatique (Python et/ou C++), environnement Linux.

Des connaissances sont attendues sur les différentes échelles de modélisation en thermohydraulique (DNS, CFD, système). Une bonne maîtrise du français et de l’anglais est également nécessaire.