Enjeux d’innovation des simulations numériques
Interactions fluide-structure - Simulation du comportement vibratoire de capacités nucléaires

1 - Capacités nucléaires

• 1.1 - Des structures complexes soumises à de fortes contraintes opérationnelles
  Figure 1 - Écoulement dans un échangeur de chaleur monophasique (source : Vincent Melot, Naval Group)
• 1.2 - Risques vibratoires dans les capacités nucléaires

2 - Méthodes de dimensionnement des capacités

• 2.1 - Données expérimentales
  Figure 2 - Exemple de données expérimentales et règles de dimensionnement associées pour les risques d’instabilité fluidélastique en écoulement transverse monophasique [1] Figure 3 - Dispositif expérimental pour étudier les instabilités fluidélastiques dans un faisceau de tubes [2]
• 2.2 - Modèles analytiques
  Figure 4 - Modèle analytique de la masse ajoutée d’un tube en faisceau [3]
• 2.3 - Simulations numériques
  Figure 5 - Simulations numériques utilisées dans l’industrie

3 - Amélioration continue des modèles numériques

• 3.1 - Simulation des interactions fluide-structure
  Figure 6 - Les grandes familles de méthodes numériques accessibles à l’ingénieur pour la simulation des interactions fluide/structure [BM 5 199]
• 3.2 - Formulations couplées
  Figure 7 - Modèle et calcul 2D axisymétrique pour une capacité nucléaire contenant un fluide [4] Figure 8 - Résultats issus d’une analyse modale couplée avec formulation symétrique : cumul des masses effectives modales en fonction de la fréquence du mode [4] Tableau 1
• 3.3 - Formulations homogénéisées

  • Quiz d'entraînement
  Figure 9 - Principe d’une méthode d’homogénéisation [5] [BM 5 202] Figure 10 - Comparaison des méthodes couplée et homogénéisée pour le calcul de modes propres de faisceaux élémentaires bidimensionnels à pas carré [6] Figure 11 - Comparaison des méthodes couplée et homogénéisée pour le calcul des masses effectives et de la densité modale des modes couplés de faisceaux élémentaires [6] Figure 12 - Exemple d’application de la méthode d’homogénéisation au comportement dynamique d’assemblages combustibles d’un cœur de réacteur (source : Daniel Broc, CEA) Figure 13 - Calcul d’écoulement dans un échangeur de chaleur : modèle complet et modèle homogénéisé (source : Vincent Melot, Naval Group) Tableau 2
• 3.4 - Usages croissants de la CFD

  • Quiz d'entraînement
  Figure 14 - Simulation numérique pour la conception d’un réacteur à neutrons rapides de 4e génération (source : CEA/© P. Stroppa) Figure 15 - Différentes approches pour le calcul de spectre de pression pariétale [7] Figure 16 - Simulations d’écoulement avec des méthodes RANS instationnaires et hybrides [8] Figure 17 - Échelles résolues et modélisées en LES : coupure du spectre d’énergie turbulente [9] Figure 18 - Calcul d’écoulement avec modélisation et résolution de la turbulence (RANS et LES) derrière un obstacle (source : Sirehna) Figure 19 - Exemple de simulation LES (champ de vitesse) d’un écoulement de fluide dans un assemblage combustible [10] Figure 20 - Principe du couplage de codes CSD/CFD Figure 21 - Exemple de stratégies de couplage de codes CSD/CFD Figure 22 - Coefficient de relaxation à appliquer dans un algorithme de couplage itératif afin d’en assurer la stabilité [11] Figure 23 - Niveaux vibratoires d’un échangeur de chaleur calculés par co-simulation [12]

4 - Enjeux d’innovation des simulations numériques

• 4.1 - Calculs numériques plus efficients et plus précis
  Figure 24 - Simulation numérique (champ de vitesse) avec la méthode Lattice-Boltzmann pour des tubes arrangés en faisceau [13] Figure 25 - Simulation haute-fidélité pour des tubes arrangés en faisceau [14] Figure 26 - Simulation diphasique pour des tubes arrangés en faisceau [15]
• 4.2 - Modèles d’ordre réduits pour simuler la dépendance paramétrique
  Figure 27 - Modes POD d’un écoulement de fluide au sein d’un faisceau tubulaire [16] Figure 28 - Calcul d’écoulement (champ de vitesse) en faisceau avec modèles complet et d’ordre réduit [16] Figure 29 - Réponse en fréquence type incluant la dépendance paramétrique dans une solution vibro-acoustique représentée en variable séparée [17]
• 4.3 - Couplage données/modèles en simulation

  • Quiz d'entraînement
  Figure 30 - Recherche de modèles de turbulence à l’aide de réseaux de neurones et comparaison avec les simulations numériques directes [18]

5 - Conclusion

6 - Sigles

7 - Remerciements