Contribution à l'analyse et à la modélisation des écoulements turbulents en régime de convection mixte : application à l'entreposage des dechets radioactifs

Contribution to the analysis and the modelling of turbulent flows in mixed convection regime, application to radioactive waste management

• Auteur / Autrice : Yannick Lecocq
• Direction : Laurent-Emmanuel Brizzi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Poitiers
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Poitiers. UFR des sciences fondamentales et appliquées

Mots clés

Mots clés contrôlés

Refroidissement

Dépôts de déchets radioactifs

Chaleur -- Convection

Reynolds, Nombre de

Modèles mathématiques

Turbulence

Résumé

Dans le cadre de la problématique du refroidissement des déchets radioactifs, ce travail a pour objectifs l’étude de l’écoulement autour d’un cylindre chauffant monté en paroi soumis à un écoulement transverse selon l’approche URANS. Les limitations bien connues de la modélisation au premier ordre conduisent à considérer une approche au deuxième ordre. C’est dans ce sens qu’un modèle d’échange thermique est développé puis validé sur des cas académiques. Dans un premier temps, lorsque le régime de convection mixte est dominant, ces calculs, réalisés par le modèle bas-Reynolds k–w SST, et complétés par un calcul isotherme, mettent en évidence de nombreuses structures tourbillonnaires recensées par la bibliographie. Un calcul avec le modèle haut-Reynolds Rij–epsilon SSG est aussi effectué. Avec le modèle k–w SST, l’échange thermique est convenablement reproduit par rapport à l’expérience VALIDA, conduite par le CEA, alors qu’avec le modèle Rij–epsilon SSG celui-ci est fortement sous-estimé, certainement en raison de l’utilisation de lois de paroi. Dans un second temps, lorsque la convection naturelle est prépondérante, la topologie des écoulements est alors complètement différente et le transfert thermique est bien moins fidèle à l’expérience VALIDA. Le modèle à pondération elliptique EB–RSM, issu de l’approche de Durbin, consiste en la prise en compte des effets de paroi, et en particulier le blocage à la paroi. D’après ce formalisme, un modèle algébrique des flux thermiques avec pondération elliptique est développé, l’EB-AFM. Avec ce modèle, des tests a priori dans les trois régimes de convection puis les simulations sur les mêmes cas montrent une nette amélioration dans la prédiction des différents écoulements faisant place à une perspective intéressante d’un modèle intermédiaire entre une formulation SGDH et des équations de transport.

In the frame of radioactive waste management, this work aims to study the flow around a heating wall-mounted cylinder in cross flow in URANS approach. Well-known limitations of first order turbulence models lead us to consider second order turbulence modelling. In that frame, a heat transfer model is developed and validated on academic test cases. To begin with, when mixed convection regime is dominant, these simulations, completed by an isotherm one, all performed with low-Reynolds k–w SST model, give prominence to several eddy structures registered by the bibliography. One simulation is also performed with the high-Reynolds Rij–epsilon SSG model. With the k–w SST model, the heat transfer is correctly reproduced compared to the VALIDA experiment lead by the CEA, though with the Rij–epsilon SSG model, it is strongly under-estimated. It is supposed that it comes from the use of wall functions. Subsequently, when natural convection is predominant, flow topology becomes completely different and the heat transfer becomes less accurate to the VALIDA experiment. Following Durbin’s approach, the Elliptic Blending-Reynolds Stress Model EB–RSM, consists in accounting for wall effects, and in wall blockage in particular. Following this formalism, an Elliptic Blending-Algebraic Flux Model is developed, the EB-AFM. With this model, a priori tests in the three convection regimes and then simulations on the same test cases show major improvements in flow predictions. This leads to an interesting perspective to an intermediate model between SGDH and transport equations.