Un cœur de PWR est composé d'assemblages de crayons de combustible, soumis au débit d'eau primaire. L'écoulement d'eau dans le cœur est très turbulent et il peut induire des vibrations et des ruptures de crayons combustible, qui sont le résultat de différents mécanismes d'interaction fluide-structure (IFS) induits par des phénomènes intervenant à différentes échelles spatiales.

Deux échelles principales peuvent être définies : l'échelle locale, représentée par l'écoulement autour des crayons de combustible, qui engendre des forces sur leur paroi et qui est modifié par leur déplacement ; et l'échelle composant, représentée par l'écoulement global dans le cœur et qui permet de calculer les zones avec des vitesses axiales transverses importantes, des asymétries, des comportements périodiques, etc. L'échelle locale se caractérise par un certain degré de couplage fluide-structure qui doit être pris en compte dans la simulation. L'impact de la déformation et du déplacement des structures à l'échelle ‘composant' du cœur peut être négligé, et des approches de modélisation de type milieux poreux peuvent être retenues.
Des simulations couplées IFS à l'échelle CFD sont possibles, mais très coûteuses et donc réalisables seulement pour des domaines du cœur de taille réduite [2][3][4]. Se pose donc la question de la représentativité des simulations réalisées à échelle réduite et de leur transposabilité à des configurations arbitraires de cœurs.

L'objectif de cette thèse est la compréhension du couplage entre échelles. Pour cela, le doctorant/e devra étudier comment les différentes conditions aux limites (périodicité, vitesse et turbulence imposées) imposées à l'échelle CFD influencent les paramètres thermohydrauliques et comment elles se propagent au sein de l'assemblage. L'importance de simuler explicitement les discontinuités telles que les grilles de mélange devra être évaluée. L'objectif est de déterminer quels sont les domaines réduits représentatifs (vis-à-vis de la géométrie réelle) en termes de comportement thermo-hydraulique et d'IFS.
L'étude se focalisera sur des simulations CFD basées sur des approches de type LES ou hybrides RANS/LES pour l'échelle locale et milieux poreux pour l'échelle composant. Les simulations CFD pourront être comparées à des résultats expérimentaux disponibles obtenus sur des configurations simplifiées [5]. Des simulations IFS pourront être réalisées avec des méthodes numériques disponibles [6].

Déroulement de la thèse

1ère année : l'étudiant s'appropriera des approches de simulation à l'échelle composant et locale. Il/elle montera en compétence sur la simulation CFD et sur les mécanismes physiques liés aux problématiques d'IFS et sur les échelles mises en jeu. Des premiers analyses analytiques et numériques seront réalisées.

2ème année : l'étudiant concevra une approche permettant de déterminer les tailles représentatives des domaines. Les simulations numérique CFD pourront être alimentées par des résultats issus de simulation à l'échelle milieux poreux. Une remontée d'échelle CFD-composant pourra être investiguée pour améliorer les résultats des calculs aux milieux poreux, servant à alimenter les conditions aux limites pour l'échelle CFD.

3ème année : l'étudiant finalisera les campagnes numériques démarrées pendant la 2ème année. L'analyse des résultats obtenus servira à identifier les paramètres physiques nécessitant une analyse plus détaillée qui sera alors réalisée. L'étudiant pourra aussi réaliser des simulations couplées IFS pour compléter son analyse. Le deuxième semestre sera dédié à la rédaction du manuscrit de thèse.

Références

[1] Review of Fuel Failures in Water Cooled Reactors., Technical Report, IAEA-NF-T-2, 2010.

[2] Hofstede et al., 2015, Numerical prediction of flow induced vibrations in nuclear reactor applications, NURETH-16.

[3] Brockmeyer et al., 2019, High fidelity simulation and validation of crossflow through a tube bundle and the onset of vibration, Int. J. of Non-Linear Mech.

[4] D. Vivaldi, 2024. An assessment of CFD-scale fluid–structure interaction simulations through comprehensive experimental data in cross-flow. Comp. & Fluids

[5] N. Turankok et al., 2020. Unsteady pressure and velocity measurements in 5x5 rods bundle using grids with and without mixing vanes. Nucl. Eng. and Des.

[6] Vivaldi, D. & Ricciardi, G., 2024. Optimizing Coupled Fluid-Structure Simulations for Nuclear-Relevant Geometries.

Master 2 ou école d'ingénieur. Génie énergétique/nucléaire.
Compétences en mécanique des fluides théorique et numérique.

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