Soutenance de thèse de Jérémie JANIN

L’étude des écoulements turbulents intéresse un grand nombre de domaines pour des problématiques de sûreté dans des situations aussi bien naturelles qu’industrielles. Dans le cadre des études de sûreté menées par l’Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire (IRSN), une problématique importante concerne le risque de déflagration dans les locaux où une source d’hydrogène est présente ainsi que dans l’enceinte de confinement lors d’un accident de fusion du cœur. Dans ces situations, le mélange turbulent des différentes espèces gazeuses joue un rôle déterminant sur les niveaux de concentration et donc sur le risque d’inflammation et d’explosion. L’objectif de cette thèse s’inscrit dans un contexte plus général d’amélioration des prévisions des modèles de turbulence pour l’ensemble des applications de la plate-forme CALIF3S développée à l’IRSN (dispersion, déflagration, incendie, transport de polluant, ...). Il s’agit en particulier de poursuivre les développements menés pour les méthodes hybrides RANS/LES. Ces approches ont vocation à conduire à de meilleures prédictions comparativement aux modèles RANS pour un coût de calcul inférieur à celui des approches LES. L’essentiel du travail de thèse s’articule autour du développement d’une méthode de forçage volumique et de sa mise en œuvre dans un contexte hybride pour différents types d’écoulements (turbulence homogène, écoulements cisaillés, …) afin de décrire le plus correctement possible les zones de transition RANS/LES. Ces zones où le rapport entre énergie cinétique turbulente résolue et modélisée varie fortement, correspondent typiquement à la zone en aval du cône inertiel d’un jet ou à la zone de proche paroi. La méthode de forçage volumique développée dans ce travail s’appuie sur l’enrichissement des échelles résolues de la turbulence. Dans les équations du mouvement résolu, cette approche revient à ajouter une vitesse synthétique à la vitesse résolue et à introduire des termes supplémentaires dits de forçage. Seuls les termes identifiés comme principalement responsables de la production d’énergie cinétique turbulente sont retenus. Dans le cadre des modèles hybrides RANS/LES, une équation de transport de l’énergie de sous-filtre est résolue. Afin d’assurer la conservation de l’énergie cinétique turbulente, la production synthétique, échue aux termes de forçage et permettant une augmentation de l’énergie cinétique turbulent résolue, est soustraite de l’équation de transport de l’énergie de sous-filtre. La vitesse synthétique utilisée dans ce travail est basée sur la méthode Random Fourier Modes (RFM). La méthode RFM assure la construction d’un signal synthétique homogène et isotrope. La vitesse synthétique est paramétrée à partir de grandeurs statistiques cibles telles que l’énergie cinétique turbulente et l’échelle de longueur intégrale. L’amplitude du signal synthétique est déterminée à partir d’un modèle de spectre d’énergie. Ce dernier peut être sélectionné en fonction de la physique étudiée. La méthode d’enrichissement des échelles résolues proposée a dans un premier temps été mise en œuvre avec succès pour l’entretien d’une turbulence homogène isotrope. Dans le cas d’une turbulence homogène, la méthode s’apparente à un forçage linéaire des équations du mouvement pour la vitesse résolue. Un contrôle dynamique permet de diriger rapidement l’énergie turbulente vers un niveau cible. Dans un deuxième temps, l’intérêt et les potentialités de la technique de forçage ont été illustrés sur des simulations hybrides RANS/LES d’un jet plan représentatif d’une bouche de soufflage d’un local ventilé. Enfin, cette technique a été mise en œuvre sur des configurations d’écoulement du programme expérimental CARDAMOMETTE mené à l’IRSN, notamment afin de caractériser l’aéraulique d’un local ventilé.

The study of turbulent flows is of interest in a large number of fields for safety issues in natural and industrial situations. In the context of safety studies conducted by the Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire (IRSN), an important issue concerns the risk of deflagration in premises where a source of hydrogen is present as well as in the containment during a core meltdown accident. In these situations, the turbulent mixing of the various gaseous species plays a determining role in the concentration levels and thus in the risk of ignition and explosion. The objective of this thesis is to improve the predictions of turbulence models for all applications of the CALIF3S platform developed at IRSN (dispersion, deflagration, fire, pollutant transport,...) In particular, it is a question of continuing the developments carried out for the hybrid RANS/LES approaches. These approaches are intended to lead to better predictions compared to RANS models for a lower computational cost than LES approaches.. The main part of the thesis work is based on the development of a volume forcing method and its implementation in a hybrid context for different types of flows (homogeneous turbulence, sheared flows, ...) in order to describe as correctly as possible the RANS/LES transition zones. These zones where the ratio between resolved and modeled turbulent kinetic energy varies strongly, typically correspond to the zone downstream of the inertial cone of a jet or to the near wall zone. The volume forcing method developed in this work is based on the enrichment of the resolved scales of turbulence. In the resolved momentum equations, this approach amounts to adding a synthetic velocity to the solved velocity and to introducing additional terms called forcing terms. Only the terms identified as mainly responsible for the production of turbulent kinetic energy are retained. In the framework of hybrid RANS/LES models, a subfilter energy transport equation is solved. In order to ensure the conservation of the turbulent kinetic energy, the synthetic production, which is due to the forcing terms and allows an increase of the solved turbulent kinetic energy, is subtracted from the subfilter energy transport equation. The synthetic velocity used in this work is based on the Random Fourier Modes (RFM) method. It corresponds to a superimposition of Fourier modes randomly drawn on a half-sphere in Fourier space. The RFM method ensures the construction of a homogeneous and isotropic synthetic signal. The synthetic velocity is parameterized from target statistical quantities such as turbulent energy and integral length scale. The amplitude of the synthetic signal is determined from an energy spectrum model. This latter can be selected according to the physics under study. The proposed resolved scale enrichment method was first successfully implemented for the maintenance of isotropic homogeneous turbulence. In the case of homogeneous turbulence, the method is similar to a linear forcing of the equations of motion for the resolved velocity. A dynamic control allows to quickly direct the turbulent energy towards a target level. In a second step, the interest and the potentialities of the forcing technique were illustrated on hybrid RANS/LES simulations of a plane jet representative of a ventilated room's air outlet. Finally, this technique has been implemented on flow configurations of the CARDAMOMETTE experimental program conducted at IRSN, in particular in order to characterize the aeraulics of a ventilated room.