Soutenance de thèse de Florian MULLER

L’analyse des écoulements au sein des faisceaux d’assemblages combustibles constitue un volet important des études de sûreté des Réacteurs à Eau Pressurisée (REP). En effet, une mauvaise répartition thermique au sein de ces écoulements peut conduire à une crise d’ébullition nuisible à la sûreté de fonctionnement du réacteur. De nombreuses études expérimentales ou basées sur la simulation numérique ont montré l’existence de phénomènes de réorganisation de structures aux grandes échelles dans ces écoulements. Ce travail de thèse vise à progresser dans notre compréhension de ces phénomènes, tant pour mieux les caractériser que pour identifier leur origine, l’objectif in fine étant de développer des modélisations aux petits échelles adaptées à ce type d’écoulements. Un travail bibliographique a mis en évidence les difficultés rencontrées par les simulations numériques pour reproduire ces phénomènes, ainsi que de nombreux questionnements concernant leur caractère physique. Des simulations 3D fines ont été réalisées pour analyser l’écoulement et ont permis d’identifier deux mécanismes de réorganisation distincts pour les structures aux grandes échelles : un changement de signe de la vitesse transverse entre les crayons ou du tourbillon dans un sous-canal. Il est apparu qu’il semblait pertinent d’adopter l’hypothèse de Taylor pour considérer que les grandes structures 3D évoluaient comme un écoulement 2D transporté. Un gros volet de la thèse a concerné la mise en œuvre d’un code basé sur une méthode statistique pour un champ 2D dans le but de déterminer les états thermodynamiquement stables dans des géométries avec obstacles (représentatives des assemblages combustibles) via la résolution d’un problème variationnel. Des similarités intéressantes ont été obtenues entre les structures cohérentes en REP et les états stables dans une géométrie 2D simplifiée. Des simulations numériques 2D ont permis de plus d’identifier deux bifurcations possibles pour l’écoulement, qui présentent un parallèle avec les deux mécanismes de réorganisations observés dans les simulations 3D, et permettent ainsi de poser les bases d’une explication physique du phénomène. Des premiers résultats de synthèse entre les approches 3D et 2D sont également proposés.

The analysis of fuel rod bundle flows constitute a key element of Pressurized-Water Reactors (PWR) safety studies. Indeed, an insufficient flow thermal mixing can lead to a boiling crisis, which is nefarious for the reactor operational safety. Numerous experimental or numerical studies have shown the existence of reorganisation phenomena in the flow large-scale structures. This thesis work aims at improving our understanding of these phenomena, both for enhancing their characterization and for identifying their origin, with the long-term goal of developing small-scales models suited for this type of flow. A bibliographic study has brought to light the challenges faced by numerical simulations attempting to capture these phenomena, as well as various questions regarding their physical meaning. Refined 3D simulations have been performed in order to study this flow ; they allowed to identify two distinct reorganisation mechanisms for the large-scale structures consisting in a sign change for either a transverse velocity in rod-to-rod gaps or for a subchannel vortex. It appeared relevant to adopt a Taylor hypothesis in order to consider the evolution of large-scale 3D structures as transported-2D. A statistical method has then been applied to the 2D field in order to determine its thermodynamically-stable states in geometries with obstacles (representative of fuel rod bundles) using the resolution of an optimization problem with a numerical calculation tool. Interesting similarities have been obtained between the PWR coherent structures and the stable states in a simplified 2D geometry. Further, 2D numerical simulations allowed to identify two different possible flow bifurcations. A parallel is drawn between these bifurcations and the two reorganizations observed in 3D simulations, laying the foundations for a physical explanation of this phenomenon. First synthesis results between the 3D and 2D approaches are also presented.