Simulation haute-fidélité diphasique d'un jet turbulent impactant une surface libre

EDF, fournisseur d’électricité, qui exploite des réacteurs nucléaires et des ouvrages hydrauliques, a la charge de leur productivité, de leur fiabilité et leur sûreté. L’entrainement de gaz par un liquide est loin d’être un sujet nouveau pour EDF, les premiers travaux expérimentaux sur ce sujet remontent à plusieurs décennies car ce phénomène physique joue au premier ordre dans le dimensionnement de plusieurs de nos ouvrages :
- Le dimensionnement d’ouvrage de la source froide des CNPE de bord de mer doit autoriser un entrainement d’air minimal à marée basse dans la conduite de rejet pour éviter des baisses de performances voire des dégradations.
- L’injection de sécurité lors d’un APRP (Accident par Perte de Réfrigérant Primaire) en régime dénoyé introduit un entrainement de vapeur et donc un écoulement en amont de l’espace annulaire de la cuve qui n’est pas forcément uniquement liquide.
- Lors d’évacuation de crue sur des barrages en remblais par formation de jet, de l’entrainement d’air massif est généré à l’impact, exerçant une forte influence sur l’amplitude des recirculations qui sont responsables de l’érosion des sols.
Ces travaux se concentre sur une échelle plus macroscopique, celle de l’application, afin de quantifier l’entrainement d’air, . En revanche, la genèse de l’entrainement d’air ou de gaz, c’est-à-dire l’impact d’un jet liquide sur une surface libre et en particulier la transition de l’impact du jet au nuage de bulles à l’échelle locale n’a que très peu été étudié. Cette transition est pourtant primordiale car elle définit la taille caractéristique de ces bulles à l’aval et par conséquent l’écoulement associé. Cette transition est dépendante de la forme et de la vitesse du jet, des propriétés physiques, et aussi de l’échelle. La littérature scientifique reste aussi relativement peu fournie pour ce phénomène et constitue un manque. La simulation numérique apparait donc comme un outil important pour caractériser l’entrainement de gaz dans les différentes situations en complément de l’approche expérimentale, pour évaluer les liens de similitudes, les changements d’échelles ou encore en appui au dimensionnement pour des changements de géométries.
Le code de thermo-hydraulique à échelle locale code_saturne apparait comme une solution d’intérêt pour générer des données hautes fidélités en utilisant une approche Volume Of Fluid. Ces données seront utilisées en complément de campagnes expérimentales dédiées pour réaliser un modèle Eulérien d’entrainement d’air pour la simulation prédictive à échelles industrielles à moyen terme.
L’objectif du stage proposé est de réaliser des simulations dites « haute-fidélité » pour enrichir la compréhension d’une expérience à échelle locale dédiée, et appuyer la modélisation eulérienne de ce phénomène pour la CFD industrielle. Des sensibilités difficiles à réaliser expérimentalement permettront de caractériser l’effet des propriétés physiques, du rapport d’échelle et de la géométrie.

 

Profil recherché

Pour atteindre cet objectif, le programme de travail proposé est le suivant :
1. Appropriation de la théorie des écoulements diphasiques, et de code_saturne VOF/LES
2. Analyse par simulation haute-fidélité du développement de jet turbulent plongeant.
3. Caractériser l’impact d’un jet turbulent sur une surface libre et la formation des poches de gaz entrainées.
4. Rédaction du mémoire

Ce stage s’adresse avant tout aux étudiants à la recherche d’un projet de fin d’étude orienté mécanique des fluides et simulation, doté d’un bon sens physique et désireux de travailler dans une unité de R&D ou d’ingénierie pour le secteur de l’énergie en lien avec des expérimentateurs. Le candidat devra être à l’aise avec l’environnement Unix, Python, et avoir un bon niveau d’anglais.

Ces travaux, d’une durée de 6 mois, se dérouleront dans les locaux d’EDF R&D à Chatou (78), au département MFEE (Mécanique des Fluides Energie et Environnement). Le stage pourra démarrer fin 2026 ou début 2027.

Tuteur: BENGUIGUI William