Modélisation numérique de l’agitation et du mélange dans les écoulements à bulles. Application aux phénomènes de convection dans un bain de corium

Soutenance de thèse Florian Le Roy De Bonneville

Mardi 22 septembre à 10 h 00 – Amphithéâtre Nougaro

Résumé :

Les écoulements à bulles font partie de la famille des écoulements polyphasiques dans lesquels des particules, solides, liquides ou gazeuses, sont dispersées dans un fluide porteur. Ce type d’écoulements est très courant, on le retrouve dans nombreux procédés industriels (colonnes à bulles, colonnes d’extraction, lits fluidisés, décanteurs) et naturels (vagues déferlantes, panaches volcaniques). La présence des bulles joue notamment un rôle majeur dans les accidents nucléaires de fusion du cœur en influençant la dynamique du bain de corium. Cette présence dans des domaines très variés a favorisé un développement important de méthodes expérimentales et numériques pour étudier ce type d’écoulements.
Dans cette étude, nous nous intéressons à l’écoulement induit par l’ascension d’un essaim de bulles millimétriques (dont le nombre de Reynolds est de plusieurs centaines) dans un liquide. Dans cette situation, les interactions entre les sillages jouent un rôle majeur conduisant à une agitation turbulente aux caractéristiques originales. L’une des plus frappantes est l’existence d’un régime spectral singulier où l’énergie des fluctuations des vitesse du liquide évolue en puissance -3 du nombre d’onde. Fondamentalement, nous souhaitons comprendre les mécanismes de transfert turbulent inter-échelle afin de modéliser les processus de mélange et de transfert dans les applications. Pour cela nous proposons de simuler l’écoulement en couplant une description eulérienne de la phase porteuse à une méthode Lagrangienne pour le suivi des bulles. Dans notre approche numérique, l’action de chaque bulle sur le liquide est modélisée par une source volumique de quantité de mouvement répartie sur quelques éléments de maillage. Les plus petites échelles de l’écoulement (c’est-à-dire des échelles beaucoup plus petites que le diamètre des bulles) ne sont pas finement résolues. Ce choix de nous concentrer sur les grandes échelles de l’écoulement nous permet de simuler des fractions volumiques conséquentes avec un grand nombre de bulles avec une puissance de calcul raisonnable. Pour calculer la trajectoire des bulles, nous utilisons les forces hydrodynamiques que le liquide exerce sur chacune d’elles. Ceci nécessite de déterminer la perturbation qu’une bulle crée dans son voisinage afin d’annuler la force que la bulle exerce artificiellement sur elle-même. Nous avons établi un modèle pour déterminer cette perturbation nous permettant ainsi de calculer de façon précise les forces de traînée et de masse ajoutée. Grâce à cette méthode, nous avons simulé l’agitation induite par l’ascension d’un essaim de bulles homogène et obtenu des résultats en bon accord avec l’expérience. Une fois validées, ces simulations permettent d’étudier le bilan entre production, dissipation et transfert inter-échelle dans le plan spectral pour analyser les mécanismes de la turbulence induite par les bulles. Dans un but de prévention des risques, le modèle numérique est ensuite appliqué à la simulation d’un bain de corium produit lors d’un accident de fusion du cœur d’une centrale nucléaire. La dynamique d’ablation du béton est directement liée à la répartition des flux de chaleur aux parois qui mettent principalement en jeu les phénomènes de convection turbulente d’origine thermique et ceux induits pas les bulles.