Bibliographie & annexes
Présentation
RÉSUMÉ
La montée en maturité d’une méthode de calcul scientifique est un enjeu d’innovation pour les éditeurs de codes de calcul et leurs utilisateurs industriels. Ce retour d’expérience présente l’exemple d’un projet de R&D contribuant au développement d’une méthode de calcul originale, permettant de modéliser les interactions fluide-structure dans des capacités nucléaires à la géométrie complexe, et rendant possible leur simulation effective avec des outils de calcul industriels. Le projet a impliqué un centre d’expertise et de recherche et un groupe industriel.
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The development of numerical techniques within engineering tools, such as finite element codes, is of significant importance for many industrial compagnies which are using simulation for innovation purposes or for the demonstration of reliability and security of various critical systems. In the present article a R&D project, jointly carried out by a research and development center of the nuclear industry and an industrial company, and geared toward the development of a simulation technique adapted to the modelling of fluid-structure interactions in nuclear capacities (reactor cores and heat exchangers).
Auteur(s)
-
Jean-François SIGRIST : Ingénieur-chercheur, journaliste scientifique - Expertise & communication scientifiques (eye-PI) – Tours, France
INTRODUCTION
La montée en maturité d’une méthode de calcul scientifique, de sa formalisation mathématique à son application pratique, en passant par son implémentation numérique, est un enjeu d’innovation pour les acteurs industriels de la simulation numérique (chercheurs en modélisation numérique, éditeurs de codes de calcul, utilisateurs d’outils de simulation).
La recherche en modélisation numérique, qu’elle soit engagée dans des laboratoires académiques ou des centres d’expertise, ou encore par des équipes industrielles (éditeurs ou utilisateurs de codes de calcul), répond à différents besoins industriels, par exemple de disposer de modèles physiques plus fins (afin de gagner en précision dans les calculs), ou de s’appuyer sur des méthodes plus efficientes (afin de réduire les coûts de modélisation et de ressources computationnelles).
On propose un retour d’expérience sur un projet de R&D visant à développer une méthodologie de modélisation et de simulation orientée vers le calcul de la réponse dynamique de capacités nucléaires assujettie à des sollicitations de type sismique. Le projet se fonde sur l’expertise et la recherche engagée dans un laboratoire du CEA, sur la prise en compte de l’interaction fluide-structure dans les cœurs de réacteur, les faisceaux tubulaires, etc. Il accompagne la montée en compétences – à la fois en termes de modélisation mathématique et de calcul numérique – d’un industriel du secteur naval de défense pour des applications concernant la propulsion de sous-marins.
Conduit sur une longue durée, le projet, financé par un service de l’État, a permis de développer une méthode de calcul originale, intégrée sous forme d’une fonctionnalité au sein d’un code de calcul académique et d’un code de calcul industriel, permettant de réaliser des analyses d’expert sur le comportement d’assemblages au sein de cœurs de réacteur ou de tubes d’échangeurs de chaleur.
Domaines : innovation, recherche collaborative
Entreprises concernées : constructeurs (échangeurs de chaleur), éditeurs de logiciels (calcul scientifique, simulation numérique, HPC), bureaux d'études (calculs de vibrations et de tenue sismique, etc.)
Technologies/méthodes impliquées : modélisation numérique, calcul scientifique, éléments finis
Secteurs : constructions mécaniques, ingénierie nucléaire
L'expertise technique et scientifique de référence
KEYWORDS
numerical simulation | fluid-structure interaction | tube bundle | seismic calculation
DOI (Digital Object Identifier)
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Présentation
Mise en œuvre du projet/actions menées1. Contexte-enjeu-objectifs du projet
1.1 Tenue au séisme d’échangeurs de chaleur
Les échangeurs de chaleur sont des éléments mécaniques assurant le transfert d’énergie entre des circuits fluidiques. Présents dans les installations de production d’énergie (centrales nucléaires, raffineries de pétrole, etc.) ou de production (chimie, dessalement d’eau de mer, etc.), ils sont constitués d’un ensemble de tubes baignant dans un fluide, intégrés dans une enveloppe résistante et soutenus par des plaques de maintien (figure 1).
Dans certains cas, il est nécessaire de justifier de leur tenue à des sollicitations dynamiques, comme des séismes. Des simulations numériques peuvent contribuer aux démonstrations de sûreté ; celles-ci se fondent en particulier sur des modélisations couplées, rendant compte des effets d’interaction fluide/structure, lesquels influencent le comportement dynamique des tubes.
La complexité géométrique de systèmes tels que les cœurs de réacteur ou les générateurs de vapeur rend leur modélisation très lourde, en particulier en ce qui concerne la description du faisceau de tubes transportant le fluide primaire et baignant dans le fluide secondaire : un générateur de vapeur compact présente en effet un ensemble de six secteurs composés chacun d’un faisceau d’environ un millier de tubes disposés en U. Dans ce contexte, élaborer un modèle de calcul « détaillé », c’est-à-dire représentant la dynamique des tubes, l’influence du fluide présent dans l’espace intertubulaire ou entre les structures internes de l’échangeur et des tubes, pose de nombreux problèmes pratiques.
Pour des systèmes couplés fluide/structure présentant une périodicité/répétitivité géométrique, les méthodes d’homogénéisation permettent une simplification du problème. Ces méthodes ont été développées au cours des décennies passées afin de modéliser les effets d’interaction fluide/structure dans le cas de systèmes couplés périodiques et de nombreuses applications ont ainsi été proposées dans le domaine de l’ingénierie nucléaire, en particulier pour l’étude dynamique (comme le comportement au séisme) :
-
des cœurs de réacteurs nucléaires, par exemple par Brochard et al....
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - AXISA (F.) - Modelling of Mechanical Systems. Vol. 3: Fluid-Structure Interaction. - Elsevier (2006).
-
(2) - BROCHARD (D.), GANTENBEIN (F.), GIBERT (R.J.) - Homogenisation of Tube Bundle. Application to LMFBR Core Analysis. - 9th Conference on Structural Mechanic in Reactor Technology, Lausanne, 17-21 August (1987).
-
(3) - BROC (D.), SIGRIST (J.-F.) - « Une méthode d’homogénéisation pour l’analyse modale d’un problème d’interaction fluide/structure ». - Revue Européenne de Mécanique Numérique, 15, 867-889 (2006).
-
(4) - BROC (D.), SIGRIST (J.-F.) - Fluid-Structure Interaction: Numerical Validation of a Homogenization Method. - Pressure Vessel and Piping, Vancouver, 25-28 juillet (2006).
-
(5) - BROC (D.), SIGRIST (J.-F.) - « Une méthode d’homogénéisation pour l’analyse modale d’un problème d’interaction fluide/structure ». - Revue Européenne de Mécanique...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)
ABAQUS – https://www.3ds.com/fr/produits-et-services/simulia/produits/abaqus/
CASTEM – http://www-cast3m.cea.fr
Documentation – Formation – Séminaires (liste non exhaustive)Collège de Polytechnique – http://www.collegepolytechnique.com
Organismes – Fédérations – Associations (liste non exhaustive)Association Française de Mécanique (AFM) – http://www.afm.asso.fr
American Society of Mechanical Engineers (ASME) – http://www.asme.org
Tubular Exchanger Manufacturers Association (TEMA) – http://www.tema.org
Laboratoires – Bureaux d’études – Écoles – Centres de recherche (liste non exhaustive)CEA Saclay
DEN/DM2S/SEMT/EMSI
91191 GIF-SUR-YVETTE Cedex
Naval Group Research
Centre d’expertise des structures et matériaux navals
5, rue de l’Halbrane
4340 BOUGUENAIS
HAUT DE PAGE
Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering
http://www.elsevier.com/locate/cma
Finite Element in Analysis and Design
...
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