Contribution à la résolution numérique d'écoulements à tout nombre de Mach et au couplage fluide-poreux en vue de la simulation d'écoulements diphasiques homogénéisés dans les composants nucléaires

Contribution to numerical methods for all Mach flow regimes and to fluid-porous coupling for the simulation of homogeneous two-phase flows in nuclear reactors

• Auteur / Autrice : Chady Zaza
• Direction : Raphaèle Herbin, Philippe Angot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mathématiques
• Date : Soutenance le 02/02/2015
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mathématiques et Informatique de Marseille (Marseille ; 1994-....)
• Jury : Président / Présidente : Cédric Galusinski
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Marc Hérard, Thierry Goudon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Benoît Goyeau, Ann Almgren

Mots clés

Mots clés contrôlés

Analyse numérique

Mach, Nombre de

Écoulement diphasique

Réacteurs à eau sous pression

Mécanique des fluides

Mots clés libres

Volumes finis

Schéma de projection

Ecoulements diphasiques

Raffinement de maillage adaptatif

Diffraction de choc

Loi de Beavers-Joseph

Interface fluide-Poreux

Finite volumes

Projection schemes

Two-Phase flows

Adaptive Mesh Refinement

Shock diffraction

Beavers-Joseph law

Fluid-Porous interface

Résumé

Le calcul d'écoulements dans les générateurs de vapeur des réacteurs à eau pressurisée est un problème complexe, faisant intervenir différents régimes d'écoulement et plusieurs échelles de temps et d'espace. Un scénario accidentel peut être caractérisé par des variations très rapides pour un nombre de Mach de l'ordre de l'unité. A l'inverse en régime nominal l'écoulement peut être stationnaire, à bas nombre de Mach. De plus quelque soit le régime considéré, la complexité de la géométrie d'un générateur de vapeur conduit à modéliser le faisceau de tubes par un milieu poreux, d'où le problème de couplage à l'interface avec le milieu fluide.Un schéma de correction de pression tout-Mach en volumes finis colocalisés a été introduit pour les équations d'Euler et de Navier-Stokes. L'existence d'une solution discrète, la consistance du schéma au sens de Lax et la positivité de l'énergie interne ont été démontrées. Le schéma a été ensuite étendu aux modèles diphasiques homogènes du code GENEPI développé au CEA. Enfin un algorithme Multigrille-AMR a été adaptée pour permettre de mettre en oeuvre notre schéma sur des maillages adaptatifs.Concernant la seconde problématique, une extension de la loi de Beavers-Joseph a été proposée pour le régime convectif. En introduisant un saut d'énergie cinétique à l'interface, on retrouve une loi de type Beavers-Joseph mais avec un coefficient de glissement non-linéaire, qui dépend de la vitesse fluide à l'interface et de la vitesse Darcy. La validité de cette nouvelle condition d'interface a été évaluée en réalisant des calculs de simulation numérique directe à différents nombres de Reynolds.

The numerical simulation of steam generators of pressurized water reactors is a complex problem, involving different flow regimes and a wide range of length and time scales. An accidental scenario may be associated with very fast variations of the flow with an important Mach number. In contrast in the nominal regime the flow may be stationary, at low Mach number. Moreover whatever the regime under consideration, the array of U-tubes is modelled by a porous medium in order to avoid taking into account the complex geometry of the steam generator, which entails the issue of the coupling conditions at the interface with the free-fluid.We propose a new pressure-correction scheme for cell-centered finite volumes for solving the compressible Navier-Stokes and Euler equations at all Mach number. The existence of a discrete solution, the consistency of the scheme in the Lax sense and the positivity of the internal energy were proved. Then the scheme was extended to the homogeneous two-phase flow models of the GENEPI code developed at CEA. Lastly a multigrid-AMR algorithm was adapted for using our pressure-correction scheme on adaptive grids.Regarding the second issue addressed in this work, an extension to the Beavers-Joseph law was proposed for the convective regime. By introducing a jump in the kinetic energy at the interface, we recover an interface condition close to the Beavers-Joseph law but with a non-linear slip coefficient, which depends on the free-fluid velocity at the interface and on the Darcy velocity. The validity of this new transmission condition was assessed with direct numerical simulations at different Reynolds numbers.