propositions de stages 2022 au cea/stmf
TRANSCRIPT
DES/ISAS/DM2S/STMF
18/10/2021
Propositions de stages 2022 au CEA/STMF
Service de Thermohydraulique et de Mécanique des Fluides
Chaque année, le CEA (Commissariat à
l'énergie atomique et aux énergies
alternatives) propose près de 1500 stages aux
étudiants qui souhaitent compléter leur
formation par une première pratique
professionnelle. Ces stages sont intégrés dans
le cursus scolaire de l'étudiant et effectués en
vue de la préparation d'un diplôme.
CEA Centre Paris-Saclay
PROPOSITIONS DE STAGES 2022 AU CEA/STMF
18/10/2021
2
Table des matières Le CEA .................................................................................................................................................. 4
Le DM2S et STMF ................................................................................................................................ 4
Sujets de stages 2022 .......................................................................................................................... 6
Sujet de stage / Internship topic : International benchmark activity on the simulation of
flow reversal experiments with the code CATHARE ..................................................... 7
Sujet de stage : Couplage des échanges thermiques en proche paroi dans un modèle de
flux critique en transitoires rapides. Application aux réacteurs expérimentaux. .............. 9
Sujet de stage : Prédiction des performances d’une pompe hélice avec le modèle
unidimensionnel du code CATHARE3 ....................................................................... 11
Sujet de stage : Analyse et simulation d’essais expérimentaux de décharge de vapeur
pour les modèles d’échange du logiciel CATHARE3 ................................................... 13
Sujet de stage : Amélioration des modèles de ballonnement des gaines combustible
avec le code de calcul thermo-hydraulique CATHARE-3 ............................................. 15
Sujet de stage : Adaptation du module neutronique de cinétique ponctuelle du code
système CATHARE pour modéliser le comportement d’un Réacteur à Sel Fondu .......... 17
Sujet de stage : Etude expérimentale de l’écoulement d’un jet liquide incliné .............. 20
Sujet de stage : Intégration d’un modèle de partitionnement du flux thermique pariétal
dans le code Flica5 ................................................................................................ 22
Sujet de stage : Simulation d’essais d’écoulements diphasiques dans un convergent-
divergent en conditions thermohydrauliques représentatives d’un réacteur nucléaire ... 24
Sujet de stage : Modélisation CFD d’un réacteur nucléaire complet de type VVER-1000 26
Sujet de stage : Simulation numérique de l’interaction entre un écoulement axial et un
cylindre élancé ...................................................................................................... 28
Sujet de stage : Modélisation moyennée d’écoulements diphasiques en canal à partir de
simulations CFD : remontée d’échelle pour application aux réacteurs à plaques ........... 30
Sujet de stage : Intégration d’un modèle neuronal du tenseur de Reynolds dans le
logiciel de simulation en mécanique des fluides TRUST/TrioCFD ................................. 32
Sujet de stage : Etude numérique sur la modélisation d’un écoulement multi-phase dans
les Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC) .................................................. 35
Sujet de stage : Optimisation du schéma numérique du code open-source
thermohydraulique HPC TRUST par vectorisation numérique ..................................... 37
Sujet de stage : Simulations HPC d’écoulements diphasiques en présence de surfactant
............................................................................................................................ 39
Sujet de stage : Simulations HPC d’écoulements diphasiques dans des bains de corium
............................................................................................................................ 41
PROPOSITIONS DE STAGES 2022 AU CEA/STMF
18/10/2021
3
Sujet de stage : Développement d'une nouvelle méthode pour la gestion de la
périodicité dans les simulations CFD ........................................................................ 43
Sujet de stage / Internship topic : Study of an acoustic/transport splitting scheme on
staggered grid for homogeneous two-phase flows models ......................................... 45
Sujet de stage : Etude de la méthode de Galerkine discontinue pour les équations de
Navier-Stokes ........................................................................................................ 46
Informations pratiques ...................................................................................................................... 48
PROPOSITIONS DE STAGES 2022 AU CEA/STMF
18/10/2021
4
Le CEA Le Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA) est un organisme public de
recherche.
Acteur majeur de la recherche, du développement et de l'innovation, le CEA intervient dans le cadre
de ses quatre missions :
la défense et la sécurité du pays
les énergies bas carbone (nucléaire et renouvelables)
la recherche technologique pour l'industrie
la recherche fondamentale (sciences de la matière et sciences de la vie).
Avec plus de 20000 salariés -techniciens, ingénieurs, chercheurs, doctorants et post-doctorants, et
personnel en soutien à la recherche- le CEA participe à de nombreux projets de collaboration aux
côtés de ses partenaires académiques et industriels.
http://www.cea.fr/
Le DM2S et STMF DM2S STMF
Au sein de la Direction des Energies (DES) / Institut des sciences appliquées et de la simulation pour les énergies bas carbone (ISAS) implanté au CEA/Paris-Saclay, le Département de Modélisation des systèmes et structures (DM2S) développe des outils de simulation pour la conception et l'évaluation de systèmes dans les disciplines de base du nucléaire, i.e. thermohydraulique, thermomécanique et neutronique, toutes filières confondues. Il s'appuie pour cela sur des essais et des plateformes logicielles, développées en interne ou en partenariat. Il les met en œuvre dans le cadre d'études, notamment dans les domaines de la physique des réacteurs, de la tenue mécanique et de l'intégrité des structures des installations nucléaires sous sollicitations et de la conception de systèmes de nouvelle génération.
Au sein du DM2S, le Service de Thermohydraulique et de Mécanique des Fluides (STMF), conçoit, développe et qualifie les logiciels de simulation de thermohydraulique et de mécanique des fluides et appliquées à différentes technologies dans le domaine des énergies bas carbone, essentiellement pour les réacteurs et installations nucléaires. Les activités du STMF sont :
La modélisation physique en thermohydraulique
Le développement des codes et mise en œuvre de méthodes numériques associées
La conception et la réalisation des programmes expérimentaux analytiques en support à la compréhension des phénomènes et à l’élaboration et la validation des modèles physiques implantés dans ces logiciels
La validation des codes sur des expérimentations dédiées et la quantification des incertitudes
La réalisation des études et expertises associées pour des applications nucléaires et quelques-unes hors nucléaire dans le domaine énergétique
PROPOSITIONS DE STAGES 2022 AU CEA/STMF
18/10/2021
5
La démarche scientifique adoptée par le STMF repose sur une approche multi-échelle permettant de prendre en compte la diversité des grandeurs caractéristiques dans les installations nucléaires, depuis l’échelle submillimétrique mise en œuvre dans la simulation directe des interfaces et des inclusions des écoulements multiphasiques, jusqu’à l’échelle système correspondant à des modélisations d’ensemble des circuits et composants et de leurs interactions.
Modélisation des écoulements turbulents et diphasiques à bulles Thèse d’A. du Cluzeau : « Modélisation physique de la dynamique des écoulements à bulles par remontée d’échelle à partir de simulations fines »
Combustion de l’hydrogène Outil expérimental SSEXHY (Structures Soumises à une EXplosion HYdrogène).
Etude de l’effet de la pression initiale sur l’accélération de flamme.
Thèse de R. Scarpa : « Mécanisme d’accélération d’une flamme de prémélange
hydrogène/air et effets sur les structures »
PROPOSITIONS DE STAGES 2022 AU CEA/STMF
18/10/2021
6
Sujets de stages 2022
Tous les stages proposés se dérouleront au centre CEA Paris-Saclay, site de Saclay,
91191 Gif-sur-Yvette
http://www.cea.fr/Pages/le-cea/les-centres-cea/paris-saclay.aspx
Le centre CEA Paris-Saclay fait partie de la Communauté d'Universités et
d'établissements « Université Paris-Saclay » qui représente environ 15% de la
recherche française.
Pour chaque stage, nous indiquons en particulier :
Démarrage : il est indiquée la date souhaitée de démarrage. Il est à noter qu’une enquête
administrative préalable est effectuée de manière systématique. Compte tenu de cette
enquête et du traitement du dossier par les services administratifs, il faut compter environ un
délai de 3 mois entre le dépôt complet du dossier de stage avant la date de démarrage pour
les étudiants français ou les étudiants de la CEE, et 4 mois pour les étudiants d’autres
nationalités.
Possibilité de poursuite en thèse : chaque année, le STMF accueille plusieurs nouveaux
doctorants. Il est fréquent et judicieux que la thèse soit précédée d’un stage. Ceci permet aux
étudiants de confirmer (ou non) leur attrait pour une poursuite en thèse. Attention toutefois :
l’acceptation du candidat au stage n’implique pas son acceptation pour la thèse.
Pour candidater, veuillez contacter les futurs encadrants ou personnes mentionnées pour chaque
proposition de stage.
Voir également les informations pratiques à la fin de ce document.
Vous
serez ici
PROPOSITIONS DE STAGES 2022 AU CEA/STMF
18/10/2021
7
Sujet de stage / Internship topic : International benchmark activity
on the simulation of flow reversal experiments with the code CATHARE
Durée / Duration : 6 mois / 6 months
Démarrage / Beginning : Between February and April 2022
Lieu / Location : CEA-Saclay, site de Saclay
Laboratoire d’accueil / Welcoming laboratory : DES/ISAS/DM2S/STMF/LATF
Futurs encadrants ou contacts / Supervisors or contacts:
Alberto GHIONE ([email protected])
Diplôme préparé / Prepared degree : Bac+5 – Master 2 / Diplôme École d'ingénieurs
Possibilité de poursuite en thèse / Possible opening on a PhD proposal : no
Contexte / Context
The internship work will be conducted at the Department of Thermal-hydraulics and Fluid dynamics (STMF – Service de Thermohydraulique et de Mécanique des Fluides) within the Energy Directorate (DES - Direction des Énergies). The department develops and qualifies the simulation tools for the design and the safety analysis of the French nuclear power systems, such as the system thermal-hydraulic code CATHARE. These studies are performed within the framework of internal CEA projects or in collaboration with several industrial partners (e.g. EDF, Framatome and TechnicAtome) and international partners (e.g. Argonne National Laboratory).
Internship description
The proposed internship will be realized within a collaboration framework with Argonne National Laboratory (ANL), Illinois, USA. The activity concerns a comparative benchmark on the simulation of flow reversal experiments with thermal-hydraulic system codes (CATHARE and RELAP).
The flow reversal may occur during postulated accidental scenarios in nuclear research reactors cooled with a downward flow of water. During these scenarios, the coolant in the core may change direction from downward to upward due to the transition from forced to natural convection. The main goals of the activity are:
To acquire a better understanding of the flow reversal phenomenon;
To test and compare the capabilities of the codes against relevant experiments, in order to identify potential issues, share modeling best practices and suggest improvements of the simulation tools, if needed.
Within this framework, the intern will analyze the available experimental data and perform simulations using the system thermal-hydraulic code CATHARE. CATHARE is the reference code for the safety analysis of French nuclear reactors. It is based on a set of six conservation equations (mass, momentum and energy for the liquid and vapor phase) complemented by appropriate closure laws. In details, the candidate will:
PROPOSITIONS DE STAGES 2022 AU CEA/STMF
18/10/2021
8
Perform a preliminary literature review on the topic and identify the available experimental databases;
Analyze the selected experiments in order to understand their physical behavior and to verify the coherence and exploitability of the experimental data;
Model them with CATHARE and analyze the simulation results;
Present and discuss his work during international technical meetings and write a final report.
Ideal applicant profile
The appliquant should have a good knowledge of fluid-dynamics/thermal-hydraulics, ideally applied to nuclear reactors. A basic knowledge of Linux, Excel and Python/Matlab is desired. A good knowledge of English is a must. French would be a plus.
PROPOSITIONS DE STAGES 2022 AU CEA/STMF
18/10/2021
9
Sujet de stage : Couplage des échanges thermiques en proche paroi
dans un modèle de flux critique en transitoires rapides. Application aux
réacteurs expérimentaux.
Durée : 6 mois
Démarrage : Mars 2022
Lieu : CEA-Saclay, site de Saclay
Laboratoire d’accueil : DES/ISAS/DM2S/STMF/LMSF
Futurs encadrants ou contacts :
Raksmy Nop ([email protected])
Nicolas Dorville ([email protected])
Marie-Christine Duluc ([email protected])
Diplôme préparé : Bac+5 – Diplôme École d'ingénieurs / Master 2
Possibilité de poursuite en thèse : oui
Mots-clés : Flux Critique, Chauffage transitoire, convection forcée, sous-saturation, excursion exponentielle, RIA, BORAX.
Contexte Les réacteurs expérimentaux de type piscine sont utilisés pour des tests de matériaux sous irradiation
ou encore pour la production de radio-isotopes pour l‘industrie et la médecine. En cas d’insertion
accidentelle de réactivité (RIA) dans le cœur d‘un tel réacteur, la puissance peut augmenter de manière
exponentielle, avec un temps caractéristique de l‘ordre de la dizaine de millisecondes. Le système
paroi-fluide peut alors atteindre, si les contre-réactions neutroniques associées à la réponse
thermohydraulique ne suffisent pas, les conditions de la crise d‘ébullition, à même d‘engendrer une
fonte du combustible et par la suite une réaction chimique explosive. Il est donc crucial pour la sûreté
nucléaire de pouvoir comprendre et prédire la crise d‘ébullition en transitoire rapide dans des
conditions applicables à ce genre de réacteurs.
Bien que la crise d‘ébullition ait été largement étudiée en conditions de fonctionnement des réacteurs
à eau pressurisée en chauffage stationnaire (avec des mécanismes fondamentaux toujours mal
compris), ce n‘est pas le cas dans les conditions de fonctionnement des réacteurs expérimentaux, et
encore moins en transitoire rapide de chauffage. De ce fait, peu de corrélations, données
expérimentales ou encore de modèles existent pour décrire ce phénomène. Dernièrement, une thèse
[1] a été réalisée dans le but d‘améliorer la compréhension des mécanismes physiques entraînant la
crise d’ébullition dans ces conditions et en a en particulier proposé un modèle mécaniste original [2].
Référence :
[1] Raksmy Nop. Experimental investigation and modeling of the transient flow boiling crisis of water
at moderate pressure and high subcooling. Fluid mechanics [physics.class-ph]. Université Paris-Saclay,
2020. <lien>
PROPOSITIONS DE STAGES 2022 AU CEA/STMF
18/10/2021
10
[2] R. Nop, M.-C. Duluc, N. Dorville, A. Kossolapov, F. Chavagnat, M. Bucci, An energy model for the
transient flow boiling crisis under highly subcooled conditions at atmospheric pressure, International
Journal of Thermal Sciences, Volume 168, 2021<lien>
Objectifs Le but de ce stage est d‘étudier, sous l‘angle du modèle proposé dans [1-2], le couplage thermique
entre l‘écoulement au centre du canal et la couche de fluide en proche paroi (appelée manteau
homogène dans le modèle). Cette étude vise à prendre en compte l‘échauffement du fluide au centre
du canal. Cet effet est indispensable pour étendre le modèle, préalablement développé dans le cadre
d’expériences conduites à petite échelle, à des dimensions applicables aux études de sûreté des
réacteurs. Une fois le couplage thermique implémenté, une étude comparative utilisant des résultats
existants puis une analyse physique seront réalisées. Pour cela, le programme de travail du stage
s’articulera comme suit :
Implémentation du couplage thermique dans le code Matlab existant.
Réalisation des calculs avec le nouveau couplage.
Comparaison avec les résultats sans couplage et analyse physique.
Ce stage est un travail préparatoire à une thèse de doctorat.
Environnement de travail
Le stage s‘effectuera au sein du Laboratoire de Modélisation et de Simulation en mécanique des Fluides (DES/ISAS/DM2S/STMF/LMSF) sur le site du CEA à Saclay.
Compétences requises ou souhaitées
Mécanique des fluides, transferts thermiques, thermodynamique, Matlab, Sens physique. Une expérience avec l‘environnement Unix serait un plus.
Profil recherché Étudiant.e en dernière année d‘école d'ingénieur ou master 2 en mécanique des fluides.
PROPOSITIONS DE STAGES 2022 AU CEA/STMF
18/10/2021
11
Sujet de stage : Prédiction des performances d’une pompe hélice avec
le modèle unidimensionnel du code CATHARE3
Durée : 6 mois
Démarrage : 02-03/2022
Lieu : CEA-Saclay, site de Saclay, 91191 Gif-sur-Yvette, Direction des EnergieS (DES)
Laboratoire d’accueil : DES/ISAS/DM2S/STMF/LMES
Futurs encadrants ou contacts : Encadrant principal et contact : Valentin COTTAREL, ingénieur-chercheur au CEA Saclay, STMF/LMES, [email protected] Co-encadrante à distance : Laura MATTEO, ingénieur-chercheur (PhD) au CEA Cadarache, SESI/LCOS, [email protected]
Diplôme préparé : Bac+5 – Master 2 / Diplôme École d'ingénieurs
Possibilité de poursuite en thèse : non
Mots-clés : Simulation numérique, Turbomachines, Thermodynamique, Mécanique des fluides, Physique des réacteurs.
Contexte Un modèle unidimensionnel (1D) de pompe rotodynamique a été développé au CEA entre 2015 et 2019 dans le cadre d’une thèse [1]. Ce modèle permet de prédire les performances d’une pompe en fonctionnement normal et dans des situations anormales (off-design, écoulements diphasiques), mais également de connecter la modélisation de la pompe à l’ensemble du circuit environnant si l’on souhaite mener des simulations à l’échelle du réacteur. La modélisation d’une pompe hélice proposée dans le cadre de ce stage s’inscrit dans une démarche d’extension du domaine de validation du modèle 1D existant. Aujourd’hui, ce modèle est validé sur des géométries centrifuges à hélico-centrifuges (basses et moyennes vitesses spécifiques), la gamme des hautes vitesses spécifiques restant à compléter. Le cas d’étude identifié pour pallier ce manque est celui de la pompe hélice (dit aussi « axiale ») de la NASA fonctionnant avec un fluide de travail métallique [2]. Il s’agira de confronter le modèle 1D existant à ce cas d’étude et si nécessaire de proposer des pistes d’amélioration pour les lois physiques utilisées. En particulier, le modèle de déviation du fluide en sortie de roue (partie mobile de la pompe) sera très probablement à généraliser, compte tenu du fait qu’aucune pompe de type hélice n’a été modélisée à ce jour avec le modèle 1D de CATHARE3. Ce travail d’extension du domaine de validation pourra par exemple être bénéfique aux études sur les Molten Salt Reactors (MSR, ou Réacteurs à Sels Fondus [3]), le type de pompe rencontré dans ces réacteurs étant semblable.
Objectifs Après avoir pris connaissance du code de calcul CATHARE3 et en particulier du modèle 1D de pompe, le premier objectif sera de créer le jeu de données de la pompe hélice de la NASA. Ce travail de modélisation consiste à récupérer les informations géométriques nécessaires (sections de passage, rayons, angles) ainsi que des données de validation (courbes caractéristiques) pour la pompe étudiée et à créer le jeu de données. On s’appuiera pour cela sur les travaux d’un stage réalisé en 2021 portant sur la même pompe. On s’attachera ensuite à calculer les performances de la pompe en fonctionnement normal. Les résultats obtenus seront comparés aux données expérimentales
PROPOSITIONS DE STAGES 2022 AU CEA/STMF
18/10/2021
12
disponibles et notamment aux courbes de performance de la machine. Au vu des résultats obtenus, des pistes d’amélioration du modèle 1D de pompe pourront être proposées.
Environnement de travail
Ce stage est proposé au Commissariat à l’Energie Atomique et aux Energies Alternatives (CEA), centre de recherche français, et plus particulièrement au sein de la Direction des EnergieS (DES), au Département de Modélisation des Systèmes et Structures (DM2S). Le Laboratoire de Modélisation et simulation à l'Echelle Système (LMES), accueillant le stage, est en charge du développement et de la validation du code CATHARE [4].
Compétences requises ou souhaitées
Utilisation de codes de calcul (CATHARE3), Python, C++, environnement Linux, rédaction sous LaTeX
Profil recherché Etudiant/étudiante en école d'ingénieur (ou en master 2)
Références [1] L. Matteo, « Modélisation unidimensionnelle du comportement d’une pompe rotodynamique en
fonctionnement normal et accidentel », Thèse de doctorat, 2019.
[2] Cunnun, W. S., Reemsnyder, D. C. Cavitation damage and the effect of fluid temperature on the
performance of an axial-flow pump in liquid sodium. (October 1969).
[3] E. Merle-Lucotte, D. Heuer et al, Introduction of the Physics of Molten Salt Reactor, Materials
Issues for Generation IV Systems, NATO Science for Peace and Security Series B, Editions
Springer, 501-521 (2008)
[4] D. Bestion, “The physical closure laws in the CATHARE code”, NED vol 124, 1990.
PROPOSITIONS DE STAGES 2022 AU CEA/STMF
18/10/2021
13
Sujet de stage : Analyse et simulation d’essais expérimentaux de
décharge de vapeur pour les modèles d’échange du logiciel CATHARE3
Durée : 6 mois
Démarrage : dès que possible en 2022
Lieu : CEA-Saclay, site de Saclay
Laboratoire d’accueil : DES/ISAS/DM2S/STMF/LATF
Futurs encadrants ou contacts :
CHAZOTTES Arnaud, STMF/LATF (mail : [email protected])
SARGENTINI Lucia, STMF/LATF (mail : [email protected])
Diplôme préparé : Bac+5 – Master 2 / Diplôme École d'ingénieurs
Possibilité de poursuite en thèse : non
Mots-clés : Simulation et analyse d’essais expérimentaux, implémentation
Contexte Depuis plusieurs années, l’installation RIVA (RIsque VApeur) est exploitée au sein du
Laboratoire d'Instrumentation et d'Expérimentation en mécanique des Fluides et Thermohydraulique (LIEFT). Composée d’un générateur de vapeur (GV), d’une enceinte réceptrice représentant une enceinte de confinement et d’une tuyauterie de connexion reliant ces deux volumes, elle permet de produire des décharges de vapeur du GV vers le récepteur et, ainsi, de simuler la rupture de tuyauterie vapeur d’un circuit secondaire de réacteur nucléaire.
Lors de tels essais, la dynamique du jet, la structure de l’écoulement qui se développe dans le récepteur et les échanges thermiques en paroi jouent un rôle primordial dont l’étude est indispensable à la compréhension des phénomènes physiques se produisant dans l’installation.
Par ailleurs, ces essais qui servent à alimenter la base de validation de différents codes de calcul utilisés dans le Service de Thermohydraulique et de Mécanique des Fluides (STMF), contribuent, notamment, à l’amélioration du code à l’échelle système CATHARE.
Objectifs Suite aux évolutions du logiciel (CATHARE3), une modélisation plus « fine » de l’installation est
actuellement envisageable, sous réserve de disposer des données expérimentales adéquates. Le travail proposé lors de ce stage se focalisera sur cet aspect et consistera à :
comprendre et exploiter les données expérimentales produites sur l’installation RIVA en se concentrant sur la relation entre échange thermique en paroi et vitesse d’écoulement ;
comparer les données expérimentales et de simulation produites par le logiciel CATHARE3 afin d’évaluer les apports de la nouvelle modélisation ;
implémenter et évaluer de nouveaux modèles dans le logiciel CATHARE3
Environnement de travail
Le DM2S développe des outils de simulation pour la conception et l'évaluation de systèmes dans les
disciplines de base du nucléaire, i.e. thermohydraulique, thermomécanique et neutronique, toutes
PROPOSITIONS DE STAGES 2022 AU CEA/STMF
18/10/2021
14
filières confondues. Il s'appuie pour cela sur des essais et des plateformes logicielles, développées en
interne ou en partenariat.
Il les met en œuvre dans le cadre d'études, notamment dans les domaines de la physique des
réacteurs, de la tenue mécanique et de l'intégrité des structures des installations nucléaires sous
sollicitations et de la conception de systèmes de nouvelle génération.
Au sein du DM2S, le Service de Thermohydraulique et de la Mécanique des Fluides (STMF - 115
personnes) :
- conçoit, développe et qualifie les logiciels de simulation de la thermohydraulique et de la mécanique
des fluides pour les réacteurs et installations nucléaires aux différentes échelles ;
- conçoit et réalise des programmes expérimentaux en support à la compréhension des phénomènes
et à la validation des modèles physiques implantés dans les logiciels ;
- réalise les études et expertises qui lui sont confiées pour des applications nucléaires et quelques-
unes hors nucléaire dans le domaine énergétique.
Le LIEFT conçoit, assemble et exploite des maquettes à différentes échelles, développe des techniques
d’instrumentation avancées et réalise des programmes d’essais expérimentaux afin de fournir des
données expérimentales nécessaires à la validation de modèles physique ou de codes de calculs
Le LATF réalise des études de thermohydraulique pour les réacteurs électrogènes, pour ceux de la
défense (PN et RES) et pour les réacteurs expérimentaux. Ces études sont réalisées avec l'aide de
différents codes, pour la plupart développés en interne au DM2S (Cathare, Flica, TrioMC, Cast3M...).
Compétences requises ou souhaitées
Le/la candidat/e doit avoir un goût prononcé pour la modélisation des systèmes thermohydrauliques complexes et la mécanique des fluides, qui sont des disciplines d’intérêt dans l’industrie actuelle. La connaissance du système d’exploitation Linux, des logiciels Python et Gnuplot sera un plus.
PROPOSITIONS DE STAGES 2022 AU CEA/STMF
18/10/2021
15
Sujet de stage : Amélioration des modèles de ballonnement des gaines
combustible avec le code de calcul thermo-hydraulique CATHARE-3
Durée : 6 mois
Démarrage : dès que possible en 2022
Lieu : CEA-Saclay, site de Saclay
Laboratoire d’accueil : DES/ISAS/DM2S/STMF/LMES
Futurs encadrants ou contacts :
Raphaël PREA ([email protected])
Maxime VERNASSIERE ([email protected])
Diplôme préparé : Bac+5 – Master 2 / Diplôme École d'ingénieurs
Possibilité de poursuite en thèse : non
Contexte Dans un réacteur nucléaire, la gaine du combustible représente la première barrière de confinement. Son rôle est d’empêcher les radionucléides formés dans le combustible de se répandre dans le circuit primaire. L’intégrité et le refroidissement de la gaine représentent donc un enjeu majeur de sûreté. Dans le cas de scénarii d’accidents, tel que la perte du réfrigérant primaire par une brèche (APRP), les gaines de combustible peuvent gonfler, induisant un blocage partiel ou total du débit d’eau circulant dans le cœur. Ce phénomène est appelé ballonnement du combustible. Ce blocage peut avoir un impact majeur sur la redistribution des débits dans le cœur, les transferts de chaleur dans la zone bloquée, et donc avoir une grande influence sur la température de la gaine. En cas de température de gaine trop élevée, la gaine pourrait être amenée à rompre voire à fondre, c’est pourquoi de tels accidents sont étudiés pour s’en prévenir. Afin de pouvoir étudier le phénomène de ballonnement des gaines, des expériences simples, sans combustible, ont été mises en place et instrumentées. De ces expériences ont été déduits des modèles de comportement des écoulements fluides en présence de gaines ballonnées. Ces modèles sont ensuite implémentés dans les codes de calcul scientifique pour simuler le transitoire désiré. Le CEA et ses partenaires industriels (Framatome, EDF et l’IRSN) utilisent le code de simulation thermo-hydraulique diphasique CATHARE-3 pour modéliser les écoulements fluides dans le cœur. Actuellement, pour simuler le comportement hydraulique autour des gaines ballonnées, le code CATHARE-3 est utilisé dans les études de sûreté menées par EdF et Framatome.
Objectifs Le CEA et ses partenaires souhaitent faire évoluer les modèles de ballonnement dans le code
CATHARE 3, l’objectif du stage est d’évaluer une nouvelle façon de prendre en compte la limitation du
débit au travers la zone ballonnée.
Pour ce faire, le stage s’orientera sur les axes suivants :
— Prise en main du code CATHARE-3 et de ses modèles de ballonnement et de la base
expérimentale associée ;
— Prise en main du nouveau modèle de limitation de débit au travers la zone ballonnée ;
PROPOSITIONS DE STAGES 2022 AU CEA/STMF
18/10/2021
16
— Validation du nouveau modèle sur la base expérimentale et calage éventuel des coefficients
du nouveau modèle ;
— Comparaison avec les résultats obtenus avec l’ancien modèle ;
— Réalisation d’étude de sensibilité au maillage et à d’autres paramètres identifiés ;
— Rédaction du rapport de stage et éventuellement d’une note de validation associée au
nouveau modèle/
Compétences requises ou souhaitées
— Thermo-hydraulique diphasique, mécanique des fluides — Utilisation de codes de calcul scientifique
PROPOSITIONS DE STAGES 2022 AU CEA/STMF
18/10/2021
17
Sujet de stage : Adaptation du module neutronique de cinétique
ponctuelle du code système CATHARE pour modéliser le comportement
d’un Réacteur à Sel Fondu
Durée : 6 mois
Démarrage : 1er trimestre 2022
Lieu : CEA-Saclay, site de Saclay
Laboratoire d’accueil : DES/ISAS/DM2S/STMF/LMES
Futurs encadrants ou contacts : Marine ANDERHUBER (mail : [email protected]) et Nathan GREINER (mail : [email protected])
Diplôme préparé : Bac+5 – Master 2 / Diplôme École d'ingénieurs
Possibilité de poursuite en thèse : non
Mots-clés : RSF, MSR, Neutronique, Thermohydraulique, Simulation numérique, CATHARE-3
Contexte
Un réacteur nucléaire de fission se constitue en général d’un cœur dans lequel se trouve le combustible. La chaleur générée dans le combustible par les réactions de fission est évacuée par un fluide caloporteur qui transfère la chaleur vers un circuit secondaire hors du cœur du réacteur. Dans la majorité des concepts, le combustible nucléaire (uranium ou plutonium) se trouve sous forme solide au sein du cœur (sous forme de pastilles dans des gaines).
Dans le concept de RSF (Réacteur à Sels Fondus) ou MSR (Molten Salt Reactor) en anglais, le combustible nucléaire est dissous dans un sel fondu : le combustible nucléaire est donc liquide. Ce sel combustible parcourt l’ensemble du « circuit combustible » : le sel va de la zone critique (en vert sur le schéma ci-dessous, où ont lieu les réactions de fissions et où le sel monte en température) aux échangeurs de chaleur (en orange, où la chaleur du sel combustible est prélevée), puis le sel refroidi retourne vers la zone critique pour refaire des réactions de fission et remonter en température. Le schéma de principe ci-dessous montre la circulation du sel combustible dans le réacteur.
PROPOSITIONS DE STAGES 2022 AU CEA/STMF
18/10/2021
18
Schéma de principe d’un MSR
L’utilisation d’un combustible liquide présente des avantages potentiels considérables en termes de sûreté intrinsèque, de pilotabilité du niveau de puissance (compatible avec le développement des EnR électriques intermittentes), de gestion des déchets (en réduisant leur durée de vie), de fermeture du cycle du combustible (permettant la fermeture des mines), de compacité, etc.
Du fait de ces potentialités, les études sont menées dans quantité de pays à l’international. En France, le CEA, en tant que principal organisme en charge de l’avenir du nucléaire, s’intéresse à ce concept très prometteur, et développe pour cela des outils d’analyse numérique dédiés à ce type de réacteur. L’objectif du stage proposé est de participer au développement de ces outils numériques.
Le calcul précis de la distribution du flux neutronique au sein de la zone critique requiert la connaissance fine de la distribution de la température et des précurseurs de neutrons retardés au sein du sel combustible. En retour, ces distributions de température et de précurseurs dépendent de la distribution des réactions de fission (neutronique) au sein du sel combustible. Un MSR requiert donc un couplage neutronique/thermohydraulique pour l’évaluation du flux neutronique, que ce soit en régime permanent ou transitoire. Pour cela, l’approche la plus précise consiste en un couplage entre une thermohydraulique de type CFD et un code de neutronique très précis. Dans ce cadre, le CEA met actuellement au point un couplage neutronique/thermohydraulique entre le code neutronique APOLLO3 et le code de CFD TrioCFD. Cependant, la mise en œuvre, lors des études de conceptions, d’un tel couplage est très coûteuse en ressources de calcul. Ce couplage est de ce fait voué à être utilisé uniquement dans des situations très particulières et pour réaliser des calculs de référence. Le recours à un code beaucoup moins gourmand en temps et en ressources de calcul est donc nécessaire pour mener les études.
L’analyse des transitoires de sûreté dans les filières de réacteurs (REP, RNR-Na, etc.) s’effectue industriellement aujourd’hui à l’aide de « codes systèmes » qui résolvent des équations de neutronique et de thermohydraulique moyennées en temps et en espace sur de larges volumes : ils sont plus rapides. Les phénomènes intervenants à une échelle inférieure à cette échelle macroscopique de modélisation (ceux étudiés par la CFD et les codes de transport neutronique) sont modélisés par des relations de fermeture. Au CEA et en France, les codes CATHARE-2, et plus récemment CATHARE-3, sont les codes systèmes de référence pour les études de sûreté des réacteurs à l’échelle nationale.
Objectifs
Le stage proposé consiste à participer à la première mise en œuvre d’un calcul de type « système » utilisant un module neutronique de cinétique ponctuelle, avec le code CATHARE-3, pour un réacteur de type MSR.
Après une initiation au fonctionnement global d’un MSR, les travaux constitueront en :
- Une prise en main du code CATHARE-3 ;
- Une appropriation de l’expérience Aircraft Reactor Experiment (ARE) réalisée à ORNL dans
les années 50 ;
- Une appropriation du jeu de données CATHARE-3 de l’ARE réalisé en 2021 modélisant la
boucle cœur et les systèmes de refroidissement de l’ARE et ne simulant à ce jour que des
régimes permanents à puissance imposée ;
PROPOSITIONS DE STAGES 2022 AU CEA/STMF
18/10/2021
19
- La modification de ce jeu de données afin d’utiliser le module de neutronique ponctuelle
de CATHARE-3 pour calculer la puissance du cœur, et une première comparaison avec les
résultats de l’expérience ;
- Une compréhension du modèle de neutronique ponctuelle actuel embarqué dans le code
CATHARE-3 ;
- Une compréhension des besoins liés au comportement neutronique spécifique des MSR ;
- Une recherche bibliographique des solutions envisagées pour d’autres codes système ;
- L’élaboration d’une solution implémentable dans le code CATHARE-3 ;
- L’implémentation de la solution dans le code (développement en C++) ;
- Une première vérification de la solution sur un cas analytique si possible ;
- Une première validation de la solution via la simulation d’un essai de pilotage de la
puissance dans l’ARE par action sur le débit du circuit de refroidissement.
Les calculs APOLLO3-TrioCFD réalisés en parallèle par le reste de l’équipe pourront servir de support à l’analyse, la compréhension et à la mise au point des calculs CATHARE-3.
Ce stage s’adresse à un étudiant motivé par la réalisation d’actions de R&D en relation avec un concept innovant de réacteur nucléaire.
Environnement de travail
Le stage sera effectué au sein du département DM2S de l’institut ISAS au CEA-Saclay. Plus précisément, le stagiaire sera rattaché au Service de Thermohydraulique et de Mécanique des Fluides (STMF) en collaboration étroite avec le SErvice des Réacteurs et des Mathématiques appliqués (SERMA). En effet, l’équipe MSR est transverse au STMF (pour la thermohydraulique) et au SERMA (pour la neutronique) et le stagiaire aura des interactions (réunions, discussions, travaux, résultats, etc.) avec l’ensemble des membres de l’équipe.
Compétences requises ou souhaitées
Utilisation et développement du code de calcul CATHARE-3 en langage C++ ; environnement LINUX.
Profil recherché
Formation Master 2, 3ème année d’école d’ingénieur, ou équivalent en neutronique, en mécanique des fluides ou en génie nucléaire.
Un goût pour l’innovation, les sujets amonts, les études transverses et les équipes pluridisciplinaires seront un plus.
PROPOSITIONS DE STAGES 2022 AU CEA/STMF
18/10/2021
20
Sujet de stage : Etude expérimentale de l’écoulement d’un jet liquide
incliné
Durée : 6 mois
Démarrage : dès que possible en 2022
Lieu : CEA-Saclay, site de Saclay
Laboratoire d’accueil : DES/ISAS/DM2S/STMF/LIEFT
Futurs encadrants ou contacts :
LEDIER Constantin, STMF/LIEFT (mail : [email protected])
SARGENTINI Lucia, STMF/LATF (mail : [email protected])
GHIONE Alberto, STMF/LATF (mail : [email protected])
Diplôme préparé : Bac+5 – Master 2 / Diplôme École d'ingénieurs
Possibilité de poursuite en thèse : non
Mots-clés : jet incliné, expérimentation, instrumentation
Contexte
Lors d’un accident de Perte de Réfrigérant Primaire dans un réacteur à eau pressurisé, le cœur peut se vider de l’eau de refroidissement et la température du combustible nucléaire peut augmenter. Ces deux phénomènes sont dangereux pour la sécurité du réacteur. Afin de continuer à réfrigérer le cœur, de l’eau froide est injectée via un tuyau, dit injection de sécurité (IS), dans la branche froide du réacteur. L’eau injectée peut rentrer en contact direct avec de la vapeur et de l’eau plus chaude. La vapeur condense alors et ce liquide atteint le cœur. Estimer la condensation à l’IS est donc fondamental pour connaitre la température du liquide qui participe au refroidissement.
La forme du jet d’eau déversée dans la branche et l’écoulement dans le tuyau d’injection ont un fort impact sur la quantité de fluide condensé. De plus, l’IS a des caractéristiques qui peuvent différer selon le type de réacteur : par exemple, elle peut être inclinée par rapport à la branche ou être horizontale. L’écoulement peut donc être stratifié (une phase liquide et une phase vapeur) ou alors avoir une section pleine de liquide (une seule phase liquide). Les conditions d’injection peuvent varier en température, débit et pression.
Dans la littérature scientifique, un nombre limité d’expériences ont été réalisées pour évaluer l’impact de l’écoulement dans le tuyau d’injection sur la condensation dans la branche et des données expérimentales complémentaires sont nécessaires.
Objectifs
Le travail consiste à exploiter une maquette expérimentale composée d’un tuyau inclinable et d’une piscine. Il s’agit d’étudier et comprendre l’écoulement eau-air dans le tuyau pour des conditions variables de débit et pression. Différents moyens de mesures sont envisagés : débitmètre, camera rapide, PIV…
L’objectif du stage consiste donc à exploiter la base de données expérimentales acquise, l’analyser et l’interpréter. Il s’agira plus précisément :
PROPOSITIONS DE STAGES 2022 AU CEA/STMF
18/10/2021
21
de comprendre les essais qui ont été réalisés, définir leur(s) domaine(s) de validation,
visualiser les grandeurs d’intérêt, comparer les différentes expériences entre elles ;
d’évaluer les différents modèles disponibles dans la littérature pour la trajectoire du jet ;
de proposer éventuellement un nouveau modèle de stratification pour les tuyaux inclinés et
de surface du jet.
Environnement de travail Le DM2S développe des outils de simulation pour la conception et l'évaluation de systèmes dans les disciplines de base du nucléaire, i.e. thermohydraulique, thermomécanique et neutronique, toutes filières confondues. Il s'appuie pour cela sur des essais et des plateformes logicielles, développées en interne ou en partenariat. Il les met en œuvre dans le cadre d'études, notamment dans les domaines de la physique des réacteurs, de la tenue mécanique et de l'intégrité des structures des installations nucléaires sous sollicitations et de la conception de systèmes de nouvelle génération. Au sein du DM2S, le Service de Thermohydraulique et de la Mécanique des Fluides (STMF - 115 personnes) :
conçoit, développe et qualifie les logiciels de simulation de la thermohydraulique et de la mécanique des fluides pour les réacteurs et installations nucléaires aux différentes échelles ;
conçoit et réalise des programmes expérimentaux en support à la compréhension des phénomènes et à la validation des modèles physiques implantés dans les logiciels ;
réalise les études et expertises qui lui sont confiées pour des applications nucléaires et quelques- unes hors nucléaire dans le domaine énergétique.
Le LIEFT conçoit, assemble et exploite des maquettes à différentes échelles, développe des techniques d’instrumentation avancées et réalise des programmes d’essais expérimentaux afin de fournir des données expérimentales nécessaires à la validation de modèles physiques ou de codes de calcul.
Le LATF réalise des études de thermohydraulique pour les réacteurs électrogènes, pour ceux de la
défense (PN et RES) et pour les réacteurs expérimentaux. Ces études sont réalisées avec l'aide de
différents codes, pour la plupart développés en interne au DM2S (Cathare, Flica, TrioMC, Cast3M...).
Compétences requises ou souhaitées Le candidat devrait avoir idéalement un goût prononcé pour la réalisation et l’exploitation de maquettes expérimentales et pour la mécanique des fluides. Une bonne connaissance du système d’exploitation Windows/Linux, d’Excel, Python/Matlab sera un
plus.
PROPOSITIONS DE STAGES 2022 AU CEA/STMF
18/10/2021
22
Sujet de stage : Intégration d’un modèle de partitionnement du flux
thermique pariétal dans le code Flica5
Durée : 6 mois
Démarrage : avril 2022
Lieu : CEA-Saclay, site de Saclay
Laboratoire d’accueil : DES/ISAS/DM2S/STMF/LATF
Futurs encadrants ou contacts : Gauer Jean-Eudes, SMTF/LATF (mail : [email protected])
Diplôme préparé : Bac+5 – Master 2 / Diplôme École d'ingénieurs
Possibilité de poursuite en thèse : non
Mots-clés : Transferts thermiques, mécanique des fluides diphasiques, partitionnement du flux pariétal
Contexte
Au sein du département de modélisation des systèmes et des structures (DM2S) au CEA Saclay, le Service de Thermohydraulique et de la Mécanique des Fluides (STMF) :
conçoit, développe et qualifie les logiciels de simulation de la thermohydraulique et de la mécanique des fluides pour les réacteurs et installations nucléaires aux différentes échelles ;
conçoit et réalise des programmes expérimentaux en support à la compréhension des phénomènes et à la validation des modèles physiques implantés dans les logiciels ;
réalise les études et expertises qui lui sont confiées pour des applications nucléaires et
quelques-unes hors nucléaire dans le domaine énergétique.
L’objectif principal de ces logiciels de simulations est de déterminer la marge à la crise d’ébullition pour différents types de scénarios accidentels en fonction des paramètres de conception du cœur (point de fonctionnement, dimensions géométriques, etc).
Le STMF a en charge la mise au point et la validation de codes de calcul thermohydraulique. Parmi ces codes, Flica5 permet la simulation d’écoulements mono et diphasiques au sein de cœurs de réacteurs nucléaires. Ce code repose sur un modèle du fluide à quatre équations moyennées en temps et en espace. L’encombrement du milieu est représenté par l’application d’une porosité au fluide. Afin de fermer le système des inconnues, de nombreuses corrélations sont employées et validées grâce à différentes campagnes expérimentales.
L’une de ces corrélations permet de modéliser le partitionnement du flux thermique en paroi en déterminant la fraction du flux employée pour chauffer la phase liquide et, en cas d’écoulement diphasique, la fraction employée pour provoquer l’ébullition. Cette corrélation a donc un impact élevé sur la quantité de vapeur générée dans l’écoulement.
Actuellement, le modèle de partitionnement du flux thermique pariétal employé dans Flica5 est un modèle simplifié. Néanmoins, depuis les travaux de Griffith (1958) puis Bowring (1962) sur le sujet, plusieurs nouveaux modèles permettant de mieux capter les différents phénomènes physiques en jeu ont été proposés. Warrier (2006) et Baglietto (2018) détaillent ces différents modèles.
PROPOSITIONS DE STAGES 2022 AU CEA/STMF
18/10/2021
23
Objectifs
L’objectif de ce stage est d’intégrer la corrélation empirique de Lahey (1978) assez répandue dans les codes CFD et la corrélation mécanistique de Gilman (2017) dans le code Flica5 afin de vérifier leurs capacités à déterminer la quantité de vapeur générée dans un canal rectangulaire avec un écoulement diphasique.
Le travail proposé se déclinera en plusieurs phases :
1) Intégration des corrélations au code Flica5 ; 2) Mise en données de campagnes expérimentales afin de mener une étude préliminaire sur le
comportement des deux corrélations (précision de la solution obtenue avec Flica5 par rapport aux essais, robustesse des calculs avec Flica5, sensibilité aux paramètres principaux) ;
3) Analyse de sensibilité et optimisation des paramètres des corrélations sur la base expérimentale de validation du code Flica5 (essai en taux de vide);
4) Essai sur un cas réel et conclusion sur le modèle le plus pertinent.
Environnement de travail
Le stage se déroulera au centre CEA de Saclay au sein du LATF
Compétences requises ou souhaitées
Autonomie, curiosité, force de proposition, sens physique
Profil recherché Etudiant/étudiante en dernière année d’école d'ingénieur ou en master 2 en mécanique des fluides
Spécialisé dans l’un de ces trois domaines : en mécanique des fluides, transferts thermiques, écoulements monophasiques/diphasiques.
Une certaine aisance à la simulation numérique est aussi demandée.
PROPOSITIONS DE STAGES 2022 AU CEA/STMF
18/10/2021
24
Sujet de stage : Simulation d’essais d’écoulements diphasiques dans
un convergent-divergent en conditions thermohydrauliques
représentatives d’un réacteur nucléaire
Durée : 6 mois
Démarrage : courant 2022
Lieu : CEA-Saclay, site de Saclay
Laboratoire d’accueil : DES/ISAS/DM2S/STMF/LATF
Futurs encadrants ou contacts :
Willy De Almeida-Le Coq, STMF/LATF ([email protected])
Yannick Gorsse, SMTF/LMEC ([email protected])
Diplôme préparé : Bac+5 – Master 2 / Diplôme d’École d'ingénieurs
Possibilité de poursuite en thèse : non
Mots-clés : Modélisation thermohydraulique, Mécanique des fluides
Description de l’unité Au sein du département de modélisation des systèmes et des structures (DM2S) au CEA Saclay, le Service de Thermohydraulique et de la Mécanique des Fluides (STMF) :
conçoit, développe et qualifie les logiciels de simulation de la thermohydraulique et de la mécanique des fluides pour les réacteurs et installations nucléaires aux différentes échelles ;
conçoit et réalise des programmes expérimentaux en support à la compréhension des phénomènes et à la validation des modèles physiques implantés dans les logiciels ;
réalise les études et expertises qui lui sont confiées pour des applications nucléaires et quelques-unes hors nucléaire dans le domaine énergétique.
Objectifs L’objectif du stage est de modéliser et simuler des expériences d’écoulement stationnaires d’un fluide dans un convergent-divergent afin d’étudier le phénomène physique d’évaporation rapide, aussi appelé « flashing ». Ce phénomène se rencontre lors de scénarii accidentels de dépressurisation et est simulé en utilisant un code de calcul composant poreux développé par le CEA (FLICA5).
Afin d’améliorer la simulation de ce phénomène, une étude bibliographique menée en 2020 a permis d’identifier des modèles d’échange de masse entre phase disponibles dans la littérature scientifique ainsi qu’une banque de données expérimentales pertinentes. Ce stage propose de modéliser certaines de ces expériences et de s’appuyer sur des comparaisons calcul-mesure pour identifier un modèle adapté à notre domaine d’utilisation et de déterminer ses capacités prédictives. Ces modèles d’échange de masse entre phases ont été validés sur un domaine qui ne correspond pas nécessairement au domaine d’utilisation visé. Pour cette raison, une étude de sensibilité sur certains paramètres pourra être menée pour potentiellement adapter leur domaine d’utilisation.
PROPOSITIONS DE STAGES 2022 AU CEA/STMF
18/10/2021
25
Après une prise en main du code de calcul FLICA5 et des données bibliographiques disponibles, le travail à réaliser par le/la stagiaire consistera premièrement à définir une modélisation représentative des essais. Puis, il s’agira d’implémenter de nouveaux modèles de flashing dans le code de calcul. Ensuite, il faudra simuler les essais, et comparer les résultats de calcul avec les mesures disponibles. Une analyse de sensibilité sera réalisée et une optimisation des paramètres du modèle retenu sera effectuée.
Compétences requises ou souhaitées
Qualités requises : Intérêt pour la simulation, sens physique et regard critique
Compétences : simulation, thermohydraulique, mécanique des fluides.
Profil recherché
Dernière année d’école d’ingénieurs / master en mécanique des fluides
PROPOSITIONS DE STAGES 2022 AU CEA/STMF
18/10/2021
26
Sujet de stage : Modélisation CFD d’un réacteur nucléaire complet de
type VVER-1000
Durée : 6 mois
Démarrage : Mars 2022
Lieu : CEA-Saclay, site de Saclay
Laboratoire d’accueil : DES/ISAS/DM2S/STMF/LMSF
Futurs encadrants ou contacts :
Raksmy Nop, ([email protected])
Ulrich Bieder, ([email protected])
Diplôme préparé : Bac+5 – Master 2 / Diplôme d’École d'ingénieurs
Possibilité de poursuite en thèse : non
Mots-clés : Mécanique des fluides, CFD, turbulence, HPC, réacteur nucléaire
Contexte La mécanique des fluides numérique, ou CFD (Computational Fluide Dynamics), est aujourd'hui largement utilisée dans la conception des nouveaux réacteurs nucléaires ainsi que dans les analyses de sûreté des réacteurs existants. Avec le développement du HPC (High Performance Computing), il est possible de simuler des domaines géométriques de plus en plus larges. Ainsi on est capable de simuler l’ensemble d’un réacteur nucléaire sous réserves de quelques hypothèses simplificatrices et choix de calculs, comme par exemple en modélisant un domaine complexe en utilisant une approche de type poreux ou sous-canal.
Dans le cadre d’un projet européen visant à améliorer les codes de calcul et méthodes en CFD impliqués dans les études de sûreté nucléaire, un groupe d’organismes (industriels, instituts de recherche…) vont modéliser un réacteur complet de type VVER-1000. Du fait de son expérience reconnue dans la modélisation de ce type de réacteur [1], le CEA va réaliser un calcul de référence qui permettra de comparer les résultats des autres codes.
Objectifs L'objectif de ce stage est de contribuer à ce calcul de référence. À partir du modèle CAO fourni par nos partenaires, le but est de développer un modèle complet de la thermohydraulique complexe du réacteur nucléaire incluant l'écoulement dans l'espace annulaire, le plénum inférieur, le cœur et un plénum supérieur simplifié (cf. figure). La majorité du travail sera consacrée à la finalisation du modèle cœur et au couplage de ce modèle aux écoulements dans les plénums inférieur et supérieur. L'originalité du travail réside dans le couplage dynamique entre :
le cœur qui sera modélisé par des sous-canaux fluides formés par les assemblages combustibles,
les plénums inférieur et supérieur qui seront modélisés avec une approche de type RANS.
PROPOSITIONS DE STAGES 2022 AU CEA/STMF
18/10/2021
27
La modélisation sera faite avec TrioCFD [2]. La taille du maillage prévu demandera l'utilisation des ressources HPC des supercalculateurs du TGCC [3].
Figure. Schéma représentatif d’un réacteur de type VVER-1000
Références :
[1] ftp://ftp.cea.fr/pub/Trio_U/TRUST/documentation/Publications/2016-NUTHOS_Feng.pdf
[2] https://triocfd.cea.fr/
[3] http://www-hpc.cea.fr/fr/complexe/tgcc-curie.htm
Environnement de travail
Le stage se déroulera au centre CEA de Saclay au sein du Laboratoire du Modélisation et de Simulation en mécanique des Fluides.
Compétences requises ou souhaitées
Mécanique des Fluides, Simulation Numérique. Une connaissance en ingénierie électronucléaire ainsi qu’une expérience avec l’environnement Unix serait souhaitable.
Profil recherché Étudiant.e en dernière année d’école d’ingénieur ou en Master 2 en mécanique des fluides ou en simulation numérique.
PROPOSITIONS DE STAGES 2022 AU CEA/STMF
18/10/2021
28
Sujet de stage : Simulation numérique de l’interaction entre un
écoulement axial et un cylindre élancé
Durée : 6 mois
Démarrage : dès que possible en 2022
Lieu : CEA-Saclay, site de Saclay
Laboratoire d’accueil : DES/ISAS/DM2S/STMF/LMSF
Futurs encadrants ou contacts :
Maria Adela Puscas, LMSF ([email protected])
Romain Lagrange, SEMT/DYN ([email protected])
Diplôme préparé : Bac+4/5 – Master / Diplôme d’École d'ingénieurs
Possibilité de poursuite en thèse : non
Contexte L'interaction fluide-structure (IFS) sous un écoulement axial externe confiné a fait l'objet de nombreux travaux depuis les années 70 suite aux problèmes rencontrés, notamment dans le nucléaire. Ces travaux sont reportés dans l'ouvrage de référence de Païdoussis où figurent en particulier les études menées par le CEA. La maturité de la simulation numérique et les performances des clusters permettent aujourd’hui de traiter numériquement ces problèmes de couplage fluide-structure pour des géométries et des écoulements plus complexes.
Objectifs L'objectif du stage consiste à réaliser des simulations numériques pour déterminer la force exercée par un écoulement axial sur un cylindre élancé. Nous chercherons en particulier à comprendre l'influence de la vitesse de l’écoulement sur les caractéristiques de la force fluide (masse et amortissement ajoutés) et du seuil d’instabilité (sélection du mode de l’instabilité, fréquence et taux de croissance).
Les simulations numériques (2D et 3D) seront réalisées avec le code de calcul TrioCFD, couplé avec le module ALE (Arbitrary Lagrangian Euler method) permettant une prise en compte du mouvement de la structure immergée dans le calcul de son interaction avec le fluide en écoulement. Ces simulations devront également permettre d'accéder aux structures de l'écoulement (champs de vitesse, pression, vorticité) afin d'établir une corrélation entre les caractéristiques locales de l'écoulement et les variations du chargement mécanique s’exerçant sur le cylindre. Les résultats numériques seront confrontés aux modèles théoriques de la littérature et permettront d’alimenter les pistes de réflexions sur les instabilités en écoulement axial.
PROPOSITIONS DE STAGES 2022 AU CEA/STMF
18/10/2021
29
Figure : Représentation dans le plan complexe de la fréquence et de l’amortissement des modes d'instabilité en écoulement axial
Environnement de travail
Ce stage s'inscrit au sein d'une collaboration entre le laboratoire d’étude de DYNnamique (DYN) et le Laboratoire de Modélisation et Simulation en mécanique des Fluides (LMSF).
Moyens mis en œuvre
Calculs CFD, analyse de stabilité, étude paramétrique
Compétences requises
Mécanique des Fluides
PROPOSITIONS DE STAGES 2022 AU CEA/STMF
18/10/2021
30
Sujet de stage : Modélisation moyennée d’écoulements diphasiques en
canal à partir de simulations CFD : remontée d’échelle pour application
aux réacteurs à plaques
Durée : 6 mois
Démarrage : dès que possible en 2022
Lieu : CEA-Saclay, site de Saclay
Laboratoire d’accueil : DES/ISAS/DM2S/STMF/LMSF
Futurs encadrants ou contacts :
Guillaume Bois ([email protected], tél. : 01 69 08 69 86)
Diplôme préparé : Bac+5 – Master / Diplôme d’École d'ingénieurs
Possibilité de poursuite en thèse : non
Contexte Pour évaluer la sûreté des installations nucléaires, le CEA développe, valide et utilise des outils de simulation en thermohydraulique. Il s’intéresse en particulier à la modélisation des écoulements diphasiques eau-vapeur par différentes approches de la plus fine à la plus intégrale. Afin de mieux comprendre les écoulements diphasiques, le laboratoire travaille à la mise en place d’une démarche multi-échelles où des simulations locales (instantanées ou moyennées statistiquement) sont utilisées pour construire des modèles homogénéisés spatialement. Ces travaux s’appuient sur un modèle moyenné de type RANS, implémenté dans le code quadripartite Neptune_CFD (CEA, EDF, Framatome, IRSN), pour conduire des simulations CFD (simulation numérique d’écoulements turbulents monophasiques ou diphasiques). Celles-ci restent chères et elles ne sont pas employées directement pour les études de sûreté des réacteurs nucléaires. Pour réaliser un grand nombre de simulations paramétriques, des codes de thermohydraulique moyennée (homogénéisation spatiale), dédiés aux applications (par ex. le code cœur FLICA), sont utilisés. Ils permettent de simuler le comportement thermohydraulique d'un cœur de réacteur à l’échelle d’un « composant » ou d’un « sous-canal » au moyen de modèles qui prédisent l'évolution de grandeurs physiques moyennées en espace et en temps. Une partie de ces modèles est validée par des données expérimentales, mais pour ceux qui impliquent des mécanismes très multi-dimensionnels, turbulents, et parfois diphasiques, les données disponibles pour leur qualification sont peu nombreuses et leur interprétation est difficile.
Or, une formulation explicite de ces modèles a été obtenue théoriquement par une analyse dite de remontée d’échelle (processus de moyenne). La solution locale obtenue à l’échelle CFD peut alors être considérée comme référence. Des travaux s’appuyant sur des études CFD, sur de l’analyse théorique et sur des post-traitements peuvent être engagés. Ils ont permis de formuler et calibrer des modèles de diffusion et mélange turbulent, à la fois dans le cadre monophasique et diphasique. Ces progrès sont importants pour assoir la validité de modèles manquant de données expérimentales, afin de satisfaire les exigences croissantes de sûreté et de performances des codes de calculs.
Objectifs L’objectif du stage proposé est de poursuivre cette approche pour évaluer les modèles
macroscopiques à partir de simulations CFD. Le candidat devra compléter les configurations étudiées
PROPOSITIONS DE STAGES 2022 AU CEA/STMF
18/10/2021
31
jusqu’à présent par de nouvelles simulations CFD diphasiques. Il s’agit de simulations HPC (Calcul Haute
Performance) sur cluster avec le code Neptune_CFD. A partir de considérations théoriques et de ces
données CFD de référence, il devra accéder aux valeurs des termes à modéliser pour l’écoulement
étudié (à l’aide de post-traitements déjà développés). La comparaison de ces données aux modèles
classiques utilisés à l’échelle poreuse permettra d’évaluer la modélisation et de juger la calibration de
certains paramètres. C’est ce que l’on appelle une démarche multi-échelle puisque des données
locales de CFD sont utilisées pour renseigner des modèles à une échelle moyennée en espace (dite «
poreuse »).
Cette démarche a permis de calibrer avec succès le modèle de mélange turbulent de l’énergie dans le
cadre des écoulements monophasiques, et de montrer les limitations du modèle moyenné diphasique
existant. Le candidat devra analyser physiquement les écoulements prédits et s’appuyer sur la
littérature pour modéliser les instabilités observées et le mélange de la vapeur en fonction des
conditions globales de l’écoulement.
Description du déroulement du stage :
1. Simulations HPC diphasiques.
2. Analyse physique des résultats, construction des termes macroscopiques.
3. Evaluation des modèles existants, proposition de nouveaux modèles.
Compétences requises
Compétences : Mécanique des fluides, simulation numérique, modélisation, thermohydraulique.
Qualités requises : Intérêt pour la simulation numérique, esprit d’analyse et de synthèse, regard critique.
La nationalité doit être compatible avec l’habilitation requise.
Profil recherché Étudiant.e en dernière année d’école d’ingénieur ou en Master 2
PROPOSITIONS DE STAGES 2022 AU CEA/STMF
18/10/2021
32
Sujet de stage : Intégration d’un modèle neuronal du tenseur de
Reynolds dans le logiciel de simulation en mécanique des fluides
TRUST/TrioCFD
Durée : 6 mois
Démarrage : début 2022, voire avant si possible
Lieu : CEA-Saclay, site de Saclay
Laboratoire d’accueil : DES/ISAS/DM2S/STMF/LMSF
Futurs encadrants ou contacts :
Pierre-Emmanuel Angeli (LMSF) 01 69 08 47 21 [email protected]
Elie Saikali (LGLS) 01 69 08 82 79 [email protected]
Guillaume Damblin (LGLS) 01 69 08 39 18 [email protected]
Diplôme préparé : Bac+5 – Master / Diplôme d’École d'ingénieurs
Possibilité de poursuite en thèse : non
Contexte En simulation numérique de la turbulence, les modèles RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes)
permettent de résoudre les grandeurs moyennes des écoulements pour un coût de calcul très inférieur
à la résolution « exacte » par simulation numérique directe ou DNS (voir figure ci-dessous). Ils exigent
cependant un important effort de modélisation. La modélisation du tenseur de Reynolds qui intervient
en RANS est traditionnellement faite soit par une fermeture linéaire simpliste, soit par des fermetures
non linéaires plus prédictives. Une voie récente et en plein essor est de faire apprendre ce type de
modèle par des réseaux de neurones, afin de gagner en universalité et en précision. Il s’agit pour cela
d’utiliser des solutions de référence obtenues par DNS et de déployer des architectures neuronales
adaptées. Cette démarche a été initialement mise en oeuvre par Ling et al. [2] qui ont proposé une
architecture de réseau basée sur le modèle de Pope [1], dont la force est de respecter les invariances
des équations de Navier-Stokes.
Figure. En haut : champ de vitesse instantanée obtenu par DNS dans un canal avec obstacle. En bas :
champ de vitesse moyennée temporellement tel que le donnerait un modèle RANS.
Depuis trois ans, un fort dynamisme a été initié au CEA autour de cette activité alliant CFD et
apprentissage machine dans l’unité d’accueil du stage, le Service de Thermohydraulique et de
PROPOSITIONS DE STAGES 2022 AU CEA/STMF
18/10/2021
33
Mécanique des Fluides (STMF) : des travaux conséquent ont conduit à l’apprentissage de modèles
neuronaux du tenseur de Reynolds à l’aide de TensorFlow, une des bibliothèques Python en Machine
Learning, utilisant l’architecture neuronale de [2], et à leur intégration dans le code TrioCFD [6].
Objectifs Ce stage est proposé dans la continuité de ces travaux et vise à résoudre le problème numérique de
l’intégration du modèle neuronal dans le code de calcul. En effet, la manière classique sous une forme
explicite conduit à des simulations instables et empêche la validation complète. Ce problème est
désormais connu et documenté [3, 4, 5]. Parmi les stratégies proposées dans la littérature pour y
remédier, certains auteurs proposent de prendre en compte une partie du tenseur de Reynolds sous
forme implicite et l’autre sous forme explicite [3]. Ils parviennent ainsi à des simulations stables et
convergentes. L’objectif du stage est donc d’intégrer ces stratégies dans le code de calcul
TRUST/TrioCFD développé au CEA (TRUST étant le noyau et TrioCFD l’application basée sur ce noyau
servant à réaliser les simulations numériques de la turbulence). Ce travail impliquera notamment la
réécriture partielle de l’opérateur de diffusion. Le langage de programmation de TRUST/TrioCFD est le
C++.
Le stagiaire travaillera en étroite collaboration avec une doctorante ayant débuté sa thèse en octobre
2021, et sous l’encadrement d’une équipe spécialisée en CFD, méthodes numériques et apprentissage
machine au sein de deux laboratoires, le LMSF (Laboratoire de Modélisation et de Simulation en
Mécanique des Fluides) et le LGLS (Laboratoire de Génie Logiciel et de Simulation). Le stage débutera
par une étude bibliographique succincte (2 ou 3 articles de base à bien comprendre) et par la prise en
main du logiciel de simulation employé, à savoir TRUST/TrioCFD.
Ce sujet sera l’occasion pour le candidat de rejoindre une équipe dynamique sur un sujet prometteur
s’inscrivant dans une thématique en pleine effervescence dans la communauté des modélisateurs de
la turbulence.
Références [1] S.B. Pope, A more general effective-viscosity hypothesis, J. Fluid Mech., vol. 72, 1975.
[2] J. Ling, A. Kurzawski, J. Templeton, Reynolds averaged turbulence modelling using deep neural
networks with embedded invariance, J. Fluid Mech., vol. 807, 2016.
[3] W. Liu, J. Fang, S. Rolfo, C. Moulinec, D.R. Emerson, An iterative machine-learning framework for
RANS turbulence modeling, Int. J. Heat Fluid Flow, vol. 90, 2021.
[4] J.-L. Wu, H. Xiao, E. Paterson, Physics-informed machine learning approach for augmenting
turbulence models: A comprehensive framework, Phys. Fluids, vol. 6, 2018.
[5] J. Wu, H. Xiao, R. Sun, Q. Wang, Reynolds-averaged Navier-Stokes equations with explicit data-
driven Reynolds stress closure can be ill-conditioned, J. Fluid Mech., vol. 869, 2019.
[6] Site internet du code TrioCFD (en cours d’évolution) : http://triocfd.cea.fr
Profil recherché
Niveau Bac+5 (3e année d’école d’ingénieurs ou Master 2).
De solides compétences en C++ et méthodes numériques.
Des connaissances en simulation numérique en mécanique des fluides (CFD).
La connaissance de Linux serait un plus.
PROPOSITIONS DE STAGES 2022 AU CEA/STMF
18/10/2021
35
Sujet de stage : Etude numérique sur la modélisation d’un écoulement
multi-phase dans les Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC)
Durée : 6 mois
Démarrage : mars 2022
Lieu : CEA-Saclay, site de Saclay
Laboratoire d’accueil : DES/ISAS/DM2S/STMF/LGLS
Futurs encadrants ou contacts :
Elie SAIKALI ([email protected]), Adrien BRUNETON ([email protected])
Diplôme préparé : Bac+5 – Master / Diplôme d’École d'ingénieurs
Possibilité de poursuite en thèse : oui
Contexte Les piles à combustibles PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) permettent la conversion de
l’hydrogène en électricité. L'intérêt de ces piles est qu'elles peuvent être embarquées dans des
véhicules (voiture bus, camion, train…) pour alimenter en électricité des moteurs électriques en
complément ou en substitution des batteries pour augmenter l'autonomie et permettre des recharges
rapides en hydrogène. Cependant leur coût élevé et leur durabilité encore insuffisante nécessite des
travaux de recherche importants pour améliorer leurs performances et réduire les mécanismes de
vieillissement responsables de leur dégradation. Pour atteindre ces objectifs il est indispensable de
parfaitement comprendre les différents mécanismes physiques, chimiques, électrochimiques qui se
produisent dans les piles. Deux approches complémentaires sont utilisées : l'expérimentation et la
simulation. Ce stage se situe dans l'approche modélisation/simulation.
Au CEA, la simulation numérique des PEMFC à l'échelle complète et/ou microscopique vise à fournir
des résultats numériques sans compromis ni sur la géométrie complexe de cette technologie ni sur
l'exactitude physique des phénomènes complexes sur lesquels elles reposent. La structure de la pile
(voir fig 1) comprend deux séries de canaux de gaz distincts utilisés pour alimenter la couche active
avec les deux réactifs impliqués dans le mécanisme de recombinaison : l'oxygène (O2) de l'air d'un côté
et l'hydrogène (H2) d'un réservoir de l'autre, tous deux circulant en régime non turbulent (nombre de
Reynolds jusqu'à 300-400). Ces deux canaux sont aussi la voie principale de sortie de l’eau (vapeur et
potentiellement liquide) produit de la réaction électrochimique qui fournit l'électricité. Suivant le
régime de fonctionnement et d’autres paramètres locaux (température, fraction molaire de vapeur,
propriétés de surface, etc.), l’eau peut se condenser dans le canal et former soit un film à la frontière
avec le milieu poreux, soit à l’extrême un bouchon liquide, dégradant ainsi le fonctionnement de la
pile. Il est donc clair qu'une simulation multi-phase précise des différentes espèces et phases (H2, O2,
eau) circulant dans les canaux est nécessaire.
PROPOSITIONS DE STAGES 2022 AU CEA/STMF
18/10/2021
36
Fig 1. Gauche : Schéma d’une pile à combustible (canaux en jaune), droite : maillage des canaux.
Objectifs Ce travail de stage servira d'étude préliminaire avant une thèse qui visera la mise en œuvre et la
validation d'un modèle multi-phase permettant de réaliser une simulation couplée entre les
différentes régions de la pile à l'échelle du système complet (canaux gaz, canaux de refroidissement,
membrane, …). Le but de ce stage est donc de faire le point sur l'ensemble de l'état de l'art et des
travaux théoriques/numériques réalisés jusqu'à présent sur la modélisation multiphasique des PEMFC
[1,2,3]. Une fois que cette étude de la littérature sera réalisée, le deuxième but du stage concerne la
mise en place d'un modèle multi-phase simplifié dans TRUST (plateforme open-source HPC
thermohydraulique, développée au sein du CEA/DES). Dans ce travail, seuls les canaux gaz seront
considérés. L'objectif de cette partie est de tester l'efficacité/précision des différentes approches
rapportées dans la littérature (modèles homogènes, 6 équations ...) où les résultats obtenus avec un
autre solveur seront utilisés pour comparaison. Ce travail sera basé sur une nouvelle architecture
introduite récemment dans TRUST qui permet de généraliser la résolution des écoulements à N-phases
avec 3N équations.
Bibliographie [1] Zhang et al. "A comprehensive three-dimensional model coupling channel multi-phase flow and
electrochemical reactions in proton exchange membrane fuel cell", Advances in Applied Energy, 2021.
[2] Zhang et al. "A 3D model of PEMFC considering detailed multiphase flow and anisotropic transport
properties", International Journal of Heat and Mass Transfer, 2017.
[3] Kone et al. "Three-dimensional multiphase flow computational fluid dynamics models for proton
exchange membrane fuel cell: A theoretical development", The Journal of Computational Multiphase
Flows, 2017.
Environnement de travail
Le stage se déroulera dans les locaux du DES/ISAS/DM2S/STMF/LGLS au CEA Saclay.
Compétences
- bonne maîtrise du C++ et des outils informatiques (Linux, Git, ...)
- compétences en physique et en CFD, idéalement en écoulements diphasiques
PROPOSITIONS DE STAGES 2022 AU CEA/STMF
18/10/2021
37
Sujet de stage : Optimisation du schéma numérique du code open-
source thermohydraulique HPC TRUST par vectorisation numérique
Durée : 6 mois
Démarrage : mars 2022
Lieu : CEA-Saclay, site de Saclay
Laboratoire d’accueil : DES/ISAS/DM2S/STMF/LGLS
Futurs encadrants ou contacts : Adrien BRUNETON ([email protected])
Diplôme préparé : Bac+5 – Master / Diplôme d’École d'ingénieurs
Possibilité de poursuite en thèse : non
Contexte La plateforme open-source thermohydraulique TRUST, développée au sein du CEA/DES, permet entre
autres la résolution des équations de Navier-Stokes incompressibles. Dans le code le parallélisme
repose pour l'instant exclusivement sur les mécanismes MPI (paradigme SPMD), permettant des
simulations HPC montant jusqu'à plus de 50 000 processeurs, pour des maillages pouvant atteindre
jusqu'à 2 milliards d'éléments.
Depuis plusieurs années, la loi de Moore sur la progression de la performance des processeurs est mise
en défaut, et les gains actuels des CPUs ne se font notamment plus sur la fréquence d'horloge, mais
principalement sur le parallélisme matériel implémenté dans le silicium : chaque socket bénéficie de
plus de coeurs de calculs, et ces coeurs sont optimisés pour des instructions vectorisées. Une telle
instruction permet d'effectuer les opérations arithmétiques de base de manière groupée. Ainsi, avec
les bonnes instructions, le processeur peut par exemple effectuer la multiplication de 64 flottants dans
plus ou moins le même nombre de cycles que ce qui était requis pour une unique multiplication
scalaire.
TRUST n'utilise pour l'instant que très peu ces mécanismes, notamment pour des raisons structurelles.
En effet, pour tous les maillages supportés par la plateforme, des calculs d'indirection d'indices sont
fait à un niveau relativement bas, et cela empêche le traitement linéaire et contigu des données. Une
des stratégies qui pourra être envisagée est la mise en place d'un mécanisme de "pre-fetching", par
lequel les données sont recopiées dans une structure contiguë, traitées de manière vectorielle, et
ensuite re-dispatchées dans leur emplacement d'origine.
Objectifs Le but de ce stage est donc:
— de consolider la mise en place d'une maquette représentative des éléments clefs du code en
terme de performance et de fonctionnalités ("mini-TRUST") ;
— d'étudier dans un premier temps le gain de performance sur un opérateur simple de
diffusion ;
PROPOSITIONS DE STAGES 2022 AU CEA/STMF
18/10/2021
38
— d'étendre le cas échéant le travail aux autres opérateurs et/ou de revoir l'architecture du
code à un plus haut niveau (seulement sur "mini-TRUST") pour permettre une mise en place
plus aisée de la vectorisation.
De nombreux cas d'applications concrets sur des calculs CFD serviront d'illustration à la démarche et
permettront par ailleurs au stagiaire d'en apprendre plus sur ce domaine, notamment sur la
modélisation numérique de la mécanique des fluides.
Environnement de travail
Le stage se déroulera dans les locaux du DES/ISAS/DM2S/STMF/LGLS au CEA Saclay.
Compétences
- bonne maîtrise du C++, avec des connaissances de base sur le parallélisme (idéalement la
vectorisation),
- scripting Python, shell et une aisance avec l'environnement Linux en général,
- des connaissances sur la gestion de version GIT seront appréciées.
PROPOSITIONS DE STAGES 2022 AU CEA/STMF
18/10/2021
39
Sujet de stage : Simulations HPC d’écoulements diphasiques en
présence de surfactant
Durée : 6 mois
Démarrage : 1er trimestre 2022
Lieu : CEA-Saclay, site de Saclay
Laboratoire d’accueil : DES/ISAS/DM2S/STMF/LMSF
Futurs encadrants ou contacts :
Envoyer un CV détaillé à :
Alain CARTALADE CEA-Saclay DES/ISAS/DM2S/STMF Bât 451 p. 22 [email protected], tél : 01 69 08 40 67
Werner VERDIER CEA-Saclay, DES/ISAS/DM2S/STMF Bât 451 p.61B [email protected]
Diplôme préparé : Bac+5 – Master / Diplôme d’École d'ingénieurs
Possibilité de poursuite en thèse : non
Mots-clés : Lattice Boltzmann Method, Navier-Stokes, modèle à champ de phase, LBM_saclay, C++, surfactant
Contexte
La méthode de Boltzmann sur réseaux (Lattice Boltzmann Method – LBM) [1] est une méthode
numérique qui permet de simuler des problèmes physiques modélisés par des équations aux dérivées
partielles telles que celles impliquées dans la croissance des cristaux, les équations fractionnaires et
les écoulements de fluide. La base de la méthode consiste à réaliser une étape de collision suivie d’une
étape de déplacement d’une fonction de distribution sur un maillage cartésien régulier. La méthode a
été mise en œuvre dans un code de calcul développé au CEA et écrit en C++ : LBM_saclay [2]. Ce
dernier est dédié à la simulation d’écoulements diphasiques avec ou sans changement de phase
liquide-gaz et exécutable sur différentes architectures matérielles (multi-CPUs et multi-GPUs) [3]. Le
sujet de stage vise à enrichir la base de cas tests de LBM_saclay en étudiant une nouvelle application
physique impliquant des écoulements diphasiques.
Objectifs Le sujet du stage consiste à mettre en œuvre des simulations HPC avec LBM_saclay de la
coalescence de deux phases liquides en présence ou non d’un surfactant. Le modèle mathématique
est basé sur les équations de Navier-Stokes incompressibles, couplées à l’équation de Allen-Cahn pour
le suivi de l’interface entre les deux phases et à une équation de type transport pour le surfactant. Le
travail se concentrera dans un premier temps sur le modèle binaire de suivi d’interface en présence
de surfactant. Dans LBM_saclay il s’agira d’ajouter un flux dans l’équation du transport [4] pour en
PROPOSITIONS DE STAGES 2022 AU CEA/STMF
18/10/2021
40
tenir compte. On réalisera ensuite plusieurs simulations comparatives d’écoulements diphasiques avec
et sans présence de surfactant. Des comparaisons des temps de calcul sur les différents clusters de
calculs accessibles au CEA seront effectuées entre les plateformes GPUs et CPUs. Selon l’état
d’avancement du stage, différentes directions de travail pourront être envisagées : 1) extension au
modèle ternaire ou 2) test d’un opérateur de collision alternatif.
Environnement de travail Le stage s’effectuera au sein du laboratoire LMSF du Service de Thermo-Hydraulique et Mécanique des
Fluides (STMF) du CEA–Saclay qui regroupe des compétences sur les modèles à champ de phase et la
méthode de simulation LBM. Ce travail se réalisera en collaboration avec un laboratoire du CEA–
Marcoule qui possède les compétences sur les aspects phénoménologiques et CFD des écoulements
diphasiques en présence de surfactant.
Directions de travail - Compréhension du modèle physique de suivi d’interface, de la méthode LB et prise en main
du code de calcul.
- Développements informatiques en C++.
- Vérifications et validations ; simulations et discussion.
- Rédaction du rapport et présentation orale des résultats.
Profil recherché Le profil requis est celui d’un Mastère 2 ou d’une dernière année d’école d’ingénieur ayant un goût
prononcé pour le calcul scientifique des EDPs, la modélisation physique et la programmation en C++.
Références [1] T. Krüger, H. Kusumaatmaja, A. Kuzmin, O. Shardt, G. Silva, E. Viggen, The Lattice Boltzmann
Method. Principles and Practice, Springer, 2017. doi:10.1007/978-3-319-44649-3.
[2] A. Cartalade, W. Verdier, T. Boutin, P. Kestener, LBM_saclay : application HPC multi-architectures sur base LBM. Guide du développeur, Tech. rep., CEA-Saclay, DES, ISAS, DM2S, STMF, LMSF (2022).
[3] W. Verdier, P. Kestener, A. Cartalade, Performance portability of lattice Boltzmann methods for two-phase flows with phase change, Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering 370 (2020) 113266. doi:10.1016/j.cma.2020.113266.
[4] J. Bueno, H. Gomez, Liquid-vapor transformations with surfactants. Phase-field model and isogeometric analysis, Journal of Computational Physics 321 (2016) 797–818. doi:10.1016/j.jcp.2016.06.008.
PROPOSITIONS DE STAGES 2022 AU CEA/STMF
18/10/2021
41
Sujet de stage : Simulations HPC d’écoulements diphasiques dans des
bains de corium
Durée : 6 mois
Démarrage : 1er trimestre 2022
Lieu : CEA-Saclay, site de Saclay
Laboratoire d’accueil : DES/ISAS/DM2S/STMF/LMSF
Futurs encadrants ou contacts :
Envoyer un CV détaillé à :
Alain CARTALADE CEA-Saclay DES/ISAS/DM2S/STMF Bât 451 p. 22 [email protected], tél : 01 69 08 40 67
Romain LE TELLIER CEA-Cadarache, DES/IRESNE/DTN/SMTA/LMAG Bât 238 p.142 [email protected] tél : 04 42 25 79 94
Diplôme préparé : Bac+5 – Master / Diplôme d’École d'ingénieurs
Possibilité de poursuite en thèse : non
Mots-clés : Lattice Boltzmann Method, Navier-Stokes, modèle à champ de phase, LBM_saclay, C++, instabilités de Rayleigh-Taylor
Contexte
La méthode de Boltzmann sur réseaux (Lattice Boltzmann Method – LBM) [1] est une méthode
numérique qui permet de simuler des problèmes physiques modélisés par des équations aux dérivées
partielles telles que celles impliquées dans la croissance des cristaux, les équations fractionnaires et
les écoulements de fluide. La base de la méthode consiste à réaliser une étape de collision suivie d’une
étape de déplacement d’une fonction de distribution sur un maillage cartésien régulier. La méthode a
été mise en œuvre dans un code de calcul développé au CEA et écrit en C++ : LBM_saclay [2]. Ce
dernier est dédié à la simulation d’écoulements diphasiques avec ou sans changement de phase
liquide-gaz et exécutable sur différentes architectures matérielles (multi-CPUs et multi-GPUs) [3]. Le
sujet de stage vise à enrichir la base de cas tests de LBM_saclay en étudiant une nouvelle application
physique impliquant des écoulements diphasiques.
Objectifs Le sujet du stage consiste à mettre en oeuvre dans LBM_saclay des simulations HPC d’instabilités de
Rayleigh-Taylor. Ce cas test est simulé dans [4] par un modèle Navier-Stokes/Cahn-Hilliard pour des
applications relatives aux accidents graves et au corium. Dans ce stage on simulera ce cas test en 2D
puis en 3D en remplaçant l’équation de Cahn-Hilliard par une équation d’Allen-Cahn conservative (pour
le suivi de l’interface) couplée à une équation de transport du potentiel chimique. Ces deux équations
seront couplées à celles de Navier-Stokes et le travail pourra s’appuyer sur des travaux déjà publiés
PROPOSITIONS DE STAGES 2022 AU CEA/STMF
18/10/2021
42
dans la littérature [5] avec un modèle similaire mais sans transport. La densité, habituellement
interpolée avec le champ de phase pourra dépendre de la composition locale. Selon l’état
d’avancement du stage, différentes directions de travail pourront être envisagées : 1) extension au cas
ternaire ou 2) comparaisons des temps de calcul 3D sur les différents plateformes GPUs et CPUs
accessibles au CEA (supercalculateur Jean-Zay de l’IDRIS et IRENE-V100 du CCRT).
Environnement de travail Le stage s’effectuera au sein du laboratoire LMSF du Service de Thermo-Hydraulique et Mécanique des
Fluides (STMF) du CEA–Saclay qui regroupe des compétences sur les modèles à champ de phase et la
méthode de simulation LBM. Ce travail se réalisera en collaboration avec un laboratoire du CEA–
Cadarache qui possède les compétences sur la phénoménologie et la CFD des bains de corium.
Directions de travail - Compréhension du modèle physique de suivi d’interface, de la méthode LB et prise en main
du code de calcul.
- Développements informatiques en C++.
- Vérifications et validations ; simulations et discussion.
- Rédaction du rapport et présentation orale des résultats.
Profil recherché Le profil requis est celui d’un Mastère 2 ou d’une dernière année d’école d’ingénieur ayant un goût
prononcé pour le calcul scientifique des EDPs, la modélisation physique et la programmation en C++.
Références [1] T. Krüger, H. Kusumaatmaja, A. Kuzmin, O. Shardt, G. Silva, E. Viggen, The Lattice Boltzmann
Method. Principles and Practice, Springer, 2017. doi:10.1007/978-3-319-44649-3.
[2] A. Cartalade, W. Verdier, T. Boutin, P. Kestener, LBM_saclay : application HPC multi-architectures sur base LBM. Guide du développeur, Tech. rep., CEA-Saclay, DES, ISAS, DM2S, STMF, LMSF (2022).
[3] W. Verdier, P. Kestener, A. Cartalade, Performance portability of lattice Boltzmann methods for two-phase flows with phase change, Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering 370 (2020) 113266. doi:10.1016/j.cma.2020.113266.
[4] R. Zanella, R. Le Tellier, M. Plapp, G. Tegze, H. Henry, Three-dimensional numerical simulation of droplet formation by Rayleigh–Taylor instability in multiphase corium, Nuclear Engineering and Design 379 (2021) 111177. doi:10.1016/j.nucengdes.2021.111177.
[5] T. Mitchell, C. Leonardi, A. Fakhari, Development of a three-dimensional phase-field lattice Boltzmann method for the study of immiscible fluids at high density ratios, International Journal of Multiphase Flow 107 (2018) 1 – 15. doi:10.1016/j.ijmultiphaseflow.2018.05.004J.
PROPOSITIONS DE STAGES 2022 AU CEA/STMF
18/10/2021
43
Sujet de stage : Développement d'une nouvelle méthode pour la
gestion de la périodicité dans les simulations CFD
Durée : 6 mois
Démarrage : mars 2022
Lieu : CEA-Saclay, site de Saclay
Laboratoire d’accueil : DES/ISAS/DM2S/STMF/LGLS
Futurs encadrants ou contacts :
Anida KHIZAR ([email protected])
Adrien BRUNETON ([email protected])
Guillaume BOIS ([email protected])
Diplôme préparé : Bac+5 – Master / Diplôme d’École d'ingénieurs
Possibilité de poursuite en thèse : non
Mots-clés : TrioIJK, front-tracking, C++, MPI.
Contexte
Pour évaluer la sûreté des installations nucléaires, le CEA développe, valide et utilise des outils de
simulation en thermohydraulique. Il s’intéresse en particulier à la modélisation des écoulements
diphasiques eau-vapeur par différentes approches de la plus fine à la plus intégrale. La simulation fine
(DNS, Simulation Numérique Directe diphasique) joue un rôle particulier en produisant des données
de référence, ensuite comparées aux modèles à plus grande échelle. Cette démarche est appliquée à
des écoulements de plus en plus complexes, dans le but, à terme, de mieux prédire le déclenchement
de la crise d’ébullition.
Pour produire ces données, le service a développé une méthode de simulation fine diphasique (Front-
Tracking). Cette méthode est implémentée dans notre code Open-Source de thermo-hydraulique:
TRUST/TrioCFD (code orienté objet, C++) [1]. Elle permet de réaliser des simulations massivement
parallèles pour décrire finement les interfaces et les structures turbulentes sans recourir à des
modèles. Le code a été employé avec succès sur plusieurs applications d’écoulements à bulles pour
améliorer la compréhension de la turbulence et des transferts qui doivent être modélisés [2] [3] [4]
[5]. De nouvelles opportunités pour appliquer notre outil DNS à des régimes d’écoulements à phases
séparées (écoulements annulaires ou stratifiés) apparaissent et créent donc le besoin de
développements informatiques importants pour les rendre réalisables.
D'un point de vue informatique, le code est intégralement écrit en C++ et se base sur un parallélisme
de type SPMD (Single Process Multiple Data) mis en œuvre grâce au standard MPI. Le domaine de
calcul est découpé en sous-parties traitées chacune par un processeur. L'échange d'information entre
les processeurs se fait par l'adjonction aux bords de chaque sous-domaine d'éléments fantômes (ghost
cells) servant de vecteur d'échange avec les processeurs voisins.
D'un point de vue physique, la méthode Front-Tracking offre une grande précision des résultats mais
elle est associée au suivi d’un maillage surfacique mobile et déformable (le Front), immergé dans une
PROPOSITIONS DE STAGES 2022 AU CEA/STMF
18/10/2021
44
grille volumique fixe (maillage dit Eulérien). La qualité de ce maillage est importante. Les interactions
entre les deux grilles sont complexes, surtout au niveau de la gestion des conditions aux limites. En
particulier, afin de simuler des écoulements turbulents sur un petit domaine représentatif, il est
nécessaire d’appliquer des conditions aux limites périodiques sur certains bords du domaine. Ainsi
dans ces directions, les grandeurs physiques se raccordent continûment d'un bord à l'autre du
domaine. Cependant, il est alors difficile de maintenir la connectivité nécessaire sur le Front pour
évaluer la courbure par exemple.
Actuellement, l'implémentation informatique sous-jacente de la périodicité est présente uniquement
dans une application très spécifique de TrioCFD (nommée TrioIJK), et elle fait appel à un domaine
étendu dans lequel le front d'interface est dupliqué artificiellement de part et d'autres des bords du
domaine. Cette approche est lourde, complexe et limitée à la simulation de petites bulles. Elle ne
permet donc pas de simuler une interface plane (infinie) séparant deux phases continues, comme dans
les écoulements annulaires ou stratifiés. Une nouvelle méthode a donc été développée pour remplacer
ce mécanisme par l'utilisation de cellules fantômes de part et d'autre des bords périodiques, ce qui
rend le code plus flexible et allège son empreinte mémoire.
Objectifs L'objectif du stage est de passer en revue la nouvelle méthode de traitement des conditions limites de
périodicité, de la consolider et d’appliquer un traitement similaire aux conditions limites périodiques
dans TRUST/TrioCFD. Un challenge particulier concerne la bonne marche de ce mécanisme lorsque
l’interface est plane et couvre tout le domaine de calcul, configuration qu’on retrouve pour les
écoulements annulaires par exemple.
Environnement de travail Le stage s’effectuera au sein du Laboratoire de Génie Logiciel (ISAS/DES/DM2S/STMF/LGLS) sur le site du CEA à Saclay.
Compétences requises ou souhaitées - maîtrise de la programmation objet et du C++ - solides notions de parallélisme à mémoire distribuée (MPI) - des connaissances de base en mécanique des fluides sont souhaitables
Profil recherché Formation Master 2 ou équivalent en informatique, maths applis, ou génie logiciel.
Références [1] TRUST/TrioCFD website - http://www-trio-u.cea.fr [2] G. Bois, Direct Numerical Simulation of a turbulent bubbly flow in a vertical channel: Towards an
improved Second-Order Reynolds Stress Model, Nuclear Engineering and Design, 2017 http://dx.doi.org/10.1016/j.nucengdes.2017.01.023
[3] A. du Cluzeau, G. Bois, A. Toutant. Analysis and modeling of Reynolds stresses in turbulent bubbly up-flows from Direct Numerical Simulations, Journal of Fluid Mechanics, Vol 866, May 2019, pp 132-168, https://doi.org/10.1017/jfm.2019.100
[4] A. du Cluzeau, G. Bois, A. Toutant, J-M. Martinez. On bubble forces in turbulent channel flows from direct numerical simulations, Journal of Fluid Mechanics, vol 882, Jan 2020, A27, https://doi.org/10.1017/jfm.2019.807
[5] A. du Cluzeau, G. Bois, A. Toutant, Modelling of the laminar dispersion force in bubbly flows from direct numerical simulations, Physics of Fluids, vol 32, Jan 2020, https://doi.org/10.1063/1.5132607
PROPOSITIONS DE STAGES 2022 AU CEA/STMF
18/10/2021
45
Sujet de stage / Internship topic : Study of an acoustic/transport
splitting scheme on staggered grid for homogeneous two-phase flows
models
Durée / Duration : 6 mois / 6 months
Démarrage / Beginning : March 2022
Lieu / Location : CEA-Saclay, site de Saclay
Laboratoire d’accueil / Welcoming laboratory : DES/ISAS/DM2S/STMF/LMEC
Futurs encadrants ou contacts / Supervisors or contacts:
Thomas Galié, SMTF/LMEC (mail : [email protected])
Samuel Kokh, SMTF/LMEC (mail : [email protected])
Khaled Saleh, Université Claude Bernard Lyon 1 (mail : [email protected])
Diplôme préparé / Prepared degree : Bac+5 – Master 2 / Diplôme École d'ingénieurs
Possibilité de poursuite en thèse / Possible opening on a PhD proposal : yes
Mots-clés / Keywords : applied mathematics, fluid mechanics, two-phase flows, low Mach number, staggered grid
Contexte / Context We are interested in simulating two-phase flows into the core of a Pressurized Water Reactor. Such flows are generally at low Mach number. For the present internship, we will use a mixture model called the HRM model. Our goal is to develop a new numerical method to approximate its solutions based on a finite volume approach and two main ideas. The first one consists in separating the acoustic (fast) part and the transport (slow) part of the system thanks to a classical splitting technique. The second one uses a staggered discretization of the unknowns: the vectorial unknown (the velocity of the fluid) is discretized at the edges (or faces in 3D) of the mesh and the scalar ones (the thermodynamical variables) are located at the center of the cells.
Objectifs / Objectives The intern will have to theoretically derive the numerical method and then code a 1D and/or 2D time-explicit version (using Python language for instance). A time-implicit version of the new method could also be tested.
Environnement de travail / Work environment
The internship will take place at the STMF/LMEC.
Compétences requises ou souhaitées / Required or desired Skills
Good knowledge of finite volume methods and numerical methods in fluid mechanics.
Advanced skills in Python, Fortran or C++ (or other scientific programming language).
Profil recherché / Applicant profile Master 2, Engineering school student
PROPOSITIONS DE STAGES 2022 AU CEA/STMF
18/10/2021
46
Sujet de stage : Etude de la méthode de Galerkine discontinue pour les
équations de Navier-Stokes
Durée : 6 mois
Démarrage : en 2022
Lieu : CEA-Saclay, site de Saclay
Laboratoire d’accueil : DES/ISAS/DM2S/STMF/LMSF
Futurs encadrants ou contacts
Erell Jamelot, SMTF/LMSF (mail : [email protected], tél. : 01-69-08-44-25)
Patrick Ciarlet, ENSTA IP Paris
Diplôme préparé : Bac+5 – Master 2 / Diplôme École d'ingénieurs
Possibilité de poursuite en thèse : oui
Contexte Le stage est proposé aux étudiants préparant un diplôme de niveau Master 2 en mathématiques appliquées (analyse numérique et/ou calcul scientifique). Il se déroulera au CEA Saclay dans le Laboratoire de Modélisation et de Simulation à l’échelle Système (LMSF), au sein du Service de Thermohydraulique et de Mécanique des Fluides (STMF) de la Direction des Énergies (DES).
Les équations de Navier-Stokes décrivent le mouvement des fluides newtoniens. Dans le cas stationnaire, on résout le problème de Stokes. En notant Ω⊂ℝ𝑑, 𝑑 ∈ {2,3} le domaine physique, ce problème s’écrit : Trouver le champ de vitesse �⃗� et le champ de pression 𝑝 du fluide tels que :
{−𝜈Δ�⃗� + ∇𝑝⃗⃗⃗⃗ ⃗ = 𝑓,⃗⃗⃗
∇⃗⃗ ∙ �⃗� = 0.
La première de ces deux équations n'est autre que la loi de Newton, tandis que la seconde découle de la conservation de la masse dans le cas d'un fluide incompressible. Le paramètre 𝜈 représente la
viscosité dynamique, et le champ vectoriel 𝑓 représente la résultante des forces extérieures agissant sur le fluide. A ces équations s’ajoutent des conditions aux limites adéquates.
Le logiciel du CEA TrioCFD [1], développé au LMSF, permet de modéliser les écoulements de fluides. La méthode de discrétisation de TrioCFD est basée sur la méthode des éléments finis mixtes non-conformes de Crouzeix-Raviart [2] : la vitesse est approchée par des fonctions affines, continues par morceaux sur un maillage de triangles ou de tétraèdres.
Objectifs
Des études sont en cours pour monter en ordre et utiliser des maillages généraux, à l’aide de la méthode des éléments finis de Galerkine discontinus [3]. L’une des difficultés repose sur la preuve de bonne position du problème discret. Le but de ce stage est d’analyser, pour le problème de Stokes, la condition inf-sup discrète à la lumière de la théorie de la T-coercivité (cf. [4], voir [5] pour la diffusion
PROPOSITIONS DE STAGES 2022 AU CEA/STMF
18/10/2021
47
neutronique). Le but de ce stage est d’analyser, pour le problème de Stokes, la condition inf-sup discrète à la lumière de la théorie de la T-coercivité (cf. [4], voir [5] pour la diffusion neutronique). Il s’agit d’étudier différentes paires d’éléments finis de Galerkine discontinus : trouver des représentants explicites qui vérifient la condition inf-sup discrète et réaliser des expériences numériques de validation sur une maquette. Cette démarche aide à la construction d’éléments finis mixtes précis pour le problème de Stokes. On pourra s’inspirer des techniques de projection décrites dans [6].
Bibliographie
[1] http://triocfd.cea.fr/ [2] M. Crouzeix, P.-A. Raviart, Conforming and nonconforming finite element methods for solving the stationary Stokes equations. RAIRO, Sér. Anal. Numer., 33 (1973). [3] V. Girault, B. Rivière, M. F. Wheeler, A splitting method using discontinuous Galerkin for the transient incompressible Navier-Stokes equations, ESAIM: M2AN, 39 (2005). [4] P. Ciarlet, Jr., T-coercivity: application to the discretization of Helmholtz-like problems, Computers and Mathematics with Applications, 64 (2012). [5] L. Giret, Numerical Analysis of a Non-Conforming Domain Decomposition for the Multigroup SPN Equations, thèse de doctorat de l’Université Paris-Saclay (2018). [6] C. Kreuzer, R. Verfürth, P. Zanotti, Quasi-Optimal and Pressure Robust Discretizations of the Stokes Equations
by Moment- and Divergence-Preserving Operators. Comput. Methods Appl. Math., 2 (2021).
Profil recherché
Master 2 en mathématiques appliquées (analyse numérique et/ou calcul scientifique)
PROPOSITIONS DE STAGES 2022 AU CEA/STMF
18/10/2021
48
Informations pratiques
Convention de stage Tout stage doit faire l'objet d'une convention de stage, signée par le directeur du centre ou le chef du service du personnel par délégation, par l'établissement d'enseignement supérieur et par l'étudiant. Un tuteur nommément désigné est chargé de suivre les travaux de l'étudiant.
Statut des stagiaires Les stagiaires conservent leur statut d'étudiant ou d'élève mais sont tenus de respecter l'horaire collectif de travail et les dispositions du règlement intérieur en vigueur dans l'établissement qui les accueille.
Obligation de non-divulgation Les stagiaires sont soumis à cette obligation ce qui signifie notamment que leur rapport de stage ne peut être rendu public qu'avec, au minimum, l'accord préalable et écrit de leur tuteur au CEA.
Indemnisations et gratifications Une gratification mensuelle fixe est accordée aux stagiaires de l'enseignement supérieur. Son montant
(compris entre le minimum légal et 1300 €) varie en fonction du niveau de diplôme préparé et de la
durée du stage.
Pour tous les stagiaires de l'enseignement supérieur, une prime mensuelle (10% maximum de la
rémunération) peut être versée en fin de stage en fonction de son bon déroulement et/ou des résultats
obtenus.
Une partie des frais occasionnés directement par le stage (transport, logement) peut être remboursée (sur justificatifs) dans la limite d'un plafond mensuel (229 € au 01/06/2012).
Source : http://www.cea.fr/recrutement/Pages/je-cherche/un-stage.aspx
Contact Pour tout renseignement
complémentaire, vous pouvez
contacter
Philippe Fillion CEA-Saclay Assistant scientifique du STMF [email protected] tél : 01 69 08 91 40