Propositions de stages 2021 au CEA/STMF

DES/ISAS/DM2S/STMF

16/10/2020

Propositions de stages 2021 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 2021 AU CEA/STMF

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Table des matières Le CEA .................................................................................................................................................. 4

Le DM2S et STMF ................................................................................................................................ 4

Exemples de stages récents au STMF .................................................................................................. 6

Sujets de stages 2021 .......................................................................................................................... 7

Sujet de stage : Analyse d’un scénario accidentel dans un réacteur de recherche avec le

code CATHARE ........................................................................................................ 8

Sujet de stage : Etude des phénomènes thermohydrauliques dans un volume sous-

pression lors d’une décharge de vapeur ................................................................... 10

Sujet de stage : Validation de la modélisation des échangeurs intermédiaires de

réacteurs à neutrons rapides à l’aide des essais CLAUDINA ....................................... 12

Sujet de stage : Étude de sensibilités des modèles physiques du code

thermohydraulique FLICA5 ..................................................................................... 14

Sujet de stage : Révision du modèle d’entrainement de gouttes utilisé dans CATHARE-3

pour les réacteurs innovants sodium ........................................................................ 16

Sujet de stage : Modélisation d’un MSR avec CATHARE-3 .......................................... 18

Sujet de stage / Internship topic : Validation du code CATHARE 3 sur une boucle

expérimentale intégrant une maquette du générateur de vapeur compact d’un Small

Modular Reactor (SMR) / Assessment of CATHARE 3 code against an experimental

facility including a compact steam generator model of a Small Modular Reactor (SMR) 21

Sujet de stage : Validation du code CATHARE sur des essais de renoyage .................. 24

Sujet de stage : Modélisation du frottement interfacial multi-régime dans les descentes

annulaires des Réacteurs à Eau sous Pression .......................................................... 26

Sujet de stage : Adaptation de maillage pour le schéma PolyMAC .............................. 28

Sujet de stage : Analyse et optimisation d’un solveur non linéaire dans le code de

thermohydraulique Cathare .................................................................................... 30

Sujet de stage : Réduction de modèles de thermohydraulique ................................... 32

Sujet de stage / Internship topic : A Low Mach Numerical Approach on Staggered Grid

for solving Compressible Multiphase Flows ............................................................... 34

Sujet de stage : Simulations HPC d’écoulements diphasiques par LBM ........................ 35

Sujet de stage : Simulations HPC d’écoulements diphasiques dans une colonne pulsée 37

Sujet de stage : Modélisation moyennée des écoulements diphasiques en canal

rectangulaire à partir de simulations numériques CFD : mise en œuvre d’une remontée

d’échelle et application aux réacteurs à plaques........................................................ 39

Sujet de stage : Simulation numérique d’une bulle de Taylor : comparaison de deux

méthodes avec l’expérience .................................................................................... 41


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Sujet de stage : Simulation numérique de l’interaction entre un écoulement axial et un

cylindre élancé ...................................................................................................... 43

Sujet de stage : Etude numérique de l’interaction d’un écoulement transverse et d’un

faisceau de tubes ................................................................................................... 45

Sujet de stage : Validation de modèles du tenseur de Reynolds établis par apprentissage

machine ................................................................................................................ 47

Sujet de stage : Reprise de validation du baltik Front Tracking de TrioCFD ................. 50

Sujet de stage : Développement d'une nouvelle méthode parallèle pour la gestion de la

périodicité dans les simulations CFD ........................................................................ 52

Sujet de stage : Evaluation des notebooks Jupyter pour la gestion des fiches de

validation de la plateforme open-source thermohydraulique TRUST............................ 54

Sujet de stage : Développement d'un outil de post-traitement statistique pour enrichir le

processus de validation de la plateforme open-source thermohydraulique TRUST ........ 56

Sujet de stage / Internship topic : Développement d’une méthodologie de Filtre Kalman

d’ensemble et application à des problématiques liées au nucléaire civil / Developing

ensemble Kalman filter method and applying it to various problem (including civil

nuclear studies) ..................................................................................................... 58

Sujet de stage : Inversion fonctionnelle des incertitudes de modèle en simulation ....... 61

Sujet de stage : Modélisation d’incertitudes par utilisation du Dropout en apprentissage

profond – Application à la spectrométrie X et gamma................................................ 63

Informations pratiques ...................................................................................................................... 65


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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

http://www.cea.fr/

http://www.cea.fr/Pages/le-cea/direction-des-energies.aspx


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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 »

Movies/DEFO180_Eo3.6_Db0.3_g0.1_jpeg100.mp4

https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-02336611/document




https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01909397v1




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Exemples de stages récents au STMF

Développement et utilisation d’un code multi-architecture pour la simulation d’écoulements diphasiques par un modèle à champ de phase et la méthode de Boltzmann sur réseau, W. Verdier (2019) Werner Verdier est actuellement étudiant en thèse au STMF.

Simulation d’ébullition de fluide. Trois cycles sont présentés, avec formation périodique de bulles le long du film, pincement des interfaces et décrochage des bulles.

Dimensioning of an experiment to study two phase flow in a rectangular channel using numerical simulation C. Praud (2019)

Apprentissage machine des modèles de turbulence, G. Lalarme (2019) Une alternative à la modélisation « physique » du tenseur de Reynolds consiste à analyser les résultats d’un calcul DNS afin d’inférer par apprentissage machine des « modèles de turbulence » plus conformes aux équations Navier-Stokes. Pour cela, des réseaux de neurones entraînés par apprentissage sur des bases d’exemples issues de calculs DNS ont été utilisés.

Évaluation du module 3D de CATHARE pour la modélisation de l’enceinte de confinement des REP, S. Shola (2017) Sulayman Shola continue à travailler avec CATHARE dans le cadre de sa thèse au CEA Grenoble sur la modélisation des boucles à hélium liquide de refroidissement d’ITER.

Champ de vitesse et de température dans une modélisation 3D (axisymétrique) de l’enceinte. Sur la 1ère image en partant de la gauche, le film liquide qui s’écoule le long de la paroi est simulé ; sur les autres images, l’aspersion de l’enceinte se met en route.

Calcul du taux de vide dans le

canal avec le code

NEPTUNE_CFD, codéveloppé

avec EDF, Framatome et l’IRSN

Calage de paramètres incertains dans le modèle k-ε réalisable,

R. Mochon (2019)

En mécanique des fluides, la simulation numérique peut se révéler très avantageuse par rapport à l’élaboration d’expériences réelles, mais son utilisation est souvent très coûteuse en termes de temps de calcul et de mémoire. Afin de s’affranchir de cet inconvénient, des modèles de substitution sont développés. Un calage des paramètres du modèle k -ε réalisable, par construction d’un méta-modèle guidée par krigeage, a été réalisé au cours de ce stage.


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Sujets de stages 2021

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 attendue de démarrage. Il est à noter qu’une enquête de

sécurité 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

http://www.cea.fr/Pages/le-cea/les-centres-cea/paris-saclay.aspx


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Sujet de stage : Analyse d’un scénario accidentel dans un réacteur de

recherche avec le code CATHARE

Durée : 5 ou 6 mois

Démarrage : 1er trimestre 2021

Lieu : CEA-Saclay, site de Saclay

Laboratoire d’accueil : DES/ISAS/DM2S/STMF/LATF

Futurs encadrants ou contacts :

Alberto GHIONE ([email protected])

Diplôme préparé : Bac+5 – Master 2 / Diplôme École d'ingénieurs

Possibilité de poursuite en thèse : non

Contexte / Entreprise 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.

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 ;

- 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 hors

nucléaire dans le domaine énergétique.

Dans le Service, le Laboratoire d’Application en Thermohydraulique et Mécanique des Fluides (LATF)

réalise des études de thermohydraulique pour les différents types de réacteurs nucléaires. Ces études

sont réalisées avec l'aide de différents codes, pour la plupart développés en interne au DM2S

(CATHARE, Flica, TrioMC, Cast3M...).

Objectifs Le stage consistera à étudier un scénario accidentel dans un réacteur de recherche en utilisant le code

de thermohydraulique CATHARE, qui est le code de référence pour les études de sûreté nucléaire. Ce

code est basé sur un système à 6 équations (conservation de la masse, de la quantité de mouvement

et de l’énergie pour chacune des deux phases, liquide et vapeur) et des lois des fermetures adaptées.

Le stagiaire serait amené à :

mailto:[email protected]


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Comprendre le fonctionnement du réacteur et la physique du scenario accidentel ;

Modéliser le réacteur et le scenario avec CATHARE ;

Faire une étude de sensibilité aux différents modèles physiques et une propagation

d’incertitude à travers des méthodes statistiques.

Profil recherché Le candidat devrait avoir idéalement un goût prononcé pour la modélisation des systèmes

thermohydrauliques complexes, en mécanique des fluides diphasique et des connaissances en

statistiques, qui sont des disciplines d’intérêt dans l’industrie actuelle. Une bonne connaissance du

système d’exploitation Linux, d’Excel, Python/Matlab sera un plus.


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Sujet de stage : Etude des phénomènes thermohydrauliques dans un

volume sous-pression lors d’une décharge de vapeur

Durée : 6 mois





Lucia SARGENTINI CEA-Saclay DES/ISAS/DM2S/STMF/LATF Pc 47 91191 Gif-sur-Yvette Cedex Tél : 01 69 08 47 54 Mail : [email protected]

Constantin LEDIER CEA-Saclay DES/ISAS/DM2S/STMF/LIEFT Pc 47 91191 Gif-sur-Yvette Cedex Tél : 01 69 08 70 84 Mail : [email protected]



Contexte / Entreprise 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. Il conçoit et réalise également des dispositifs et programmes expérimentaux

en support à la compréhension des phénomènes et à la validation des modèles physiques implantés

dans les logiciels.

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 (Cathare, Flica, TrioMC, Cast3M...).

Il contribue à l'amélioration des simulations en recourant à des calculs couplés multi-échelles multi-

physiques et également en développant des méthodologies statistiques pour l'analyse et la

quantification des incertitudes.

Le Laboratoire d'Instrumentation et d'Expérimentation en mécanique des Fluides et

Thermohydraulique (LIEFT) développe des dispositifs expérimentaux et conduit des essais dans les

thématiques suivantes : l'étude des phénomènes de thermohydraulique dans les réacteurs nucléaires

(enceinte et cœurs de REP), l'étude du risque hydrogène, de la formation des atmosphères explosives

aux phénomènes de déflagration/détonation, dans les systèmes hydrogènes utilisés pour les

transports décarbonés et la conception d'instrumentation innovante en mécanique des fluides

(technologie de thermo-anémométrie par fils chauds, PIV, LIF, etc) en soutien aux besoins

expérimentaux.




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Objectifs Une expérience RIVA (RIsque VApeur) a été mise en place récemment au sein du DM2S/STMF/LIEFT.

Il s‘agit d’une maquette à grande échelle dédiée à la simulation d’une rupture de tuyauterie vapeur

d’un circuit secondaire de réacteur nucléaire. Elle est composée d’un générateur de vapeur (GV), d’une

enceinte réceptrice représentant l’enceinte de confinement et d’une tuyauterie de connexion reliant

les deux volumes.

Une instrumentation fine permet d’étudier les phénomènes physiques se déroulant lors des différents

essais expérimentaux. Leur analyse est actuellement en cours au sein du STMF/LATF. Un effort

particulier doit être fait pour améliorer la compréhension de la phase de chauffage et de décharge

dans le volume sous-pression du GV, lors de la décharge de vapeur. Pour ce faire, le/la candidat/e

devra analyser les données expérimentales obtenues dans les différentes campagnes d’essais et les

comparer avec d’autres données disponibles dans la littérature scientifique. De plus, la comparaison

entre données expérimentales et le code de calcul à l’échelle système CATHARE, utilisé pour les études

de sûreté nucléaire, pourra être envisagée.

Profil recherché Le/la candidat/e devrait avoir idéalement un goût prononcé pour la modélisation des systèmes

thermohydrauliques complexes, notamment en écoulement diphasique, et pour la mécanique des

fluides, qui sont des disciplines d’intérêt dans l’industrie actuelle. Une bonne connaissance du système

d’exploitation Linux, Python/Matlab, Gnuplot sera un plus.


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Sujet de stage : Validation de la modélisation des échangeurs

intermédiaires de réacteurs à neutrons rapides à l’aide des essais

CLAUDINA

Durée : 6 mois

Démarrage : dès que possible en 2021




Envoyer un CV détaillé à :

Clotaire Geffray, STMF/LATF (mail : [email protected])



Contexte Les réacteurs à neutrons rapides refroidis au sodium liquide représentent aujourd’hui la filière la plus avancée permettant d’envisager la fermeture du cycle du combustible. En France et dans le monde, les réacteurs de type piscine ont été retenus pour devenir les réacteurs de puissance.

L’expérience a montré que de complexes écoulements de sodium sont observés suivants les situations rencontrées. Afin de pouvoir les modéliser le plus fidèlement possible, le CEA a développé l’outil de calcul scientifique MATHYS (Multi-scale Advanced Thermal-HYdraulics Simulation). Cet outil permet le couplage de l’outil de calcul à l’échelle système CATHARE, du code sous-canal TrioMC et du code de thermo-hydraulique 3D TrioCFD. Grâce à ce couplage, il devient possible d’envisager la simulation des écoulements dans le circuit primaire d’un réacteur complet en prenant en compte les interactions entre les différentes échelles (coeur, inter-assemblage, collecteurs).

Des travaux de validation ont été réalisés sur la base de données issues d’installations expérimentales de test intégraux et de réacteurs expérimentaux. La comparaison des résultats des simulations aux données issues des essais de fin de vie du réacteur Phénix suggèrent que la modélisation des échangeurs intermédiaires pourrait faire l’objet d’une étude approfondie.

Dans les réacteurs à neutrons rapides refroidis au sodium, des échangeurs intermédiaires permettent d’extraire la puissance produite au circuit primaire et de la transférer au circuit secondaire qui la transporte vers le circuit tertiaire qui est couplé au système de conversion d‘énergie (turbine électrique). Les échangeurs intermédiaires sont des composants dans lesquels le sodium du circuit primaire échange de la chaleur avec un faisceau de tubes dans lequel s’écoule le sodium du circuit secondaire.

A la fin des années 1980, la boucle expérimentale de test à effets séparés CLAUDINA a été mise en service au CEA de Cadarache pour caractériser le comportement des échangeurs intermédiaires face à différents types d’écoulements. Les données issues de ces essais pourraient permettre d’évaluer la modélisation actuelle des échangeurs intermédiaires utilisée avec l’outil MATHYS et, le cas échéant, de permettre de l’améliorer.



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Objectifs Le travail proposé consiste à :

- préparer un modèle CATHARE de l’installation complète et comparer son comportement aux données expérimentales ;

- préparer un modèle poreux du circuit primaire de l’installation pour TrioCFD ; - coupler ce modèle au circuit secondaire de CATHARE grâce à l’outil MATHYS ; - comparer les résultats obtenus avec MATHYS pour les différents essais aux résultats obtenus

avec CATHARE et aux données expérimentales ; - conclure sur la qualité de la modélisation actuelle et, le cas échéant, proposer une

modélisation plus adaptée (par exemple, travail sur les corrélation d’échange).

Environnement de travail

Le stage se déroulera au centre CEA de Saclay au sein du Laboratoire des Applications en Thermodynamique et en mécanique des Fluides (LATF). Le LATF réalise des études de thermohydraulique pour les réacteurs électrogènes, pour ceux de la défense 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...). Le LATF travaille également à la recherche de modèles physiques, à leur validation et à la détermination d’incertitudes. Il contribue à définir, à réaliser et à exploiter les essais expérimentaux menés sur les installations expérimentales du service pour étayer les modélisations.

Compétences requises ou souhaitées

- de bonnes bases en thermo-hydraulique monophasique ; - une expérience préalable avec CATHARE ou un autre code à l’échelle système serait un plus ; - une expérience préalable avec un outil de création de maillage et un code de CFD serait

également un plus ; - travail dans un environnement Linux.


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Sujet de stage : Étude de sensibilités des modèles physiques du code

thermohydraulique FLICA5

Durée : 6 mois

Démarrage : mars 2021


Laboratoire d’accueil : DES/ISAS/DM2S/STMF/LMEC


Mathieu Niezgoda ([email protected], 01 69 08 71 77)



Contexte FLICA5 est un code de simulation thermohydraulique développé au CEA pour modéliser les

écoulements diphasiques tridimensionnels dans les cœurs de réacteurs nucléaires à l'échelle poreuse

(semilocale) pour la propulsion navale. FLICA5 résout trois équations de conservation définies pour le

mélange diphasique (pression, enthalpie, concentration et vitesse), complétées par une équation de

bilan de masse vapeur et une équation pour la thermique d’un combustible. Plusieurs lois (modèles)

de fermeture sont nécessaires pour modéliser les termes (phénomènes physiques) inconnus des

équations. Enfin, pour chaque loi de fermeture, des corrélations sont implémentées FLICA5, c’est-à-

dire des déclinaisons analytiques de la loi en fonction des inconnues principales des équations, de

grandeurs connues et de paramètres de calibration.

Des démarches de vérification du codage des corrélations de FLICA5 et de validation physique de

FLICA5 à partir de résultats d'expériences réalisées sur différentes maquettes ont été menées en

parallèle. Pour aller plus loin dans la méthodologie VVUQ (Verification/Validation/Uncertainty

Quantification) de FLICA5 et dans la compréhension des effets des corrélations (et des conditions aux

limites) du code, des études de sensibilités sont nécessaires. Le but de ces études est de déterminer

quels sont les paramètres, les corrélations et les conditions aux limites les plus influents du modèle et

de quantifier les incertitudes liées à ces paramètres, aussi bien en régime permanent qu’en régime

transitoire.

Objectifs Le stage consistera à reprendre et compléter la méthodologie mise en place pour le régime permanent

lors d’un précédent stage pour étudier la sensibilité des paramètres et des corrélations de FLICA5 puis,

décrire et réaliser une méthodologie pour réaliser la même étude en régime transitoire. Les analyses

statistiques seront réalisées à l'aide de la plate-forme d'incertitudes du CEA/DES URANIE et/ou

d'autres outils adaptés. Le travail s’articulera en plusieurs étapes :



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- prise en main des objectifs, outils de travail (FLICA5, URANIE, clusters de calculs) et

méthodologies existantes ;

- adaptation de la méthodologie existante en régime permanent pour compléter l’étude ;

- description d’une méthodologie d'études de sensibilités en régime transitoire ;

- mise en place de l'environnement de calcul et développement des méthodes d'analyse ;

- quantification de la sensibilité pour chaque paramètre de chaque corrélation et chaque

condition aux limites (CL) ;

- conclusion sur les paramètres, les corrélations et les CL les plus influents de FLICA5 ;

- synthèse des résultats dans un rapport.

Compétences requises ou souhaitées Des connaissances en thermohydraulique sont requises et des notions en probabilités/statistiques

sont recommandées. Le stage se déroulera dans un environnement Linux. Des compétences en

programmation (C++, Python) sont souhaitables.

Profil recherché Etudiant/étudiante en école d'ingénieur (ou en master 2) en mécanique des

fluides/thermohydraulique ou en mathématiques/modélisation/simulation avec un goût prononcé

pour les applications sur des systèmes réels.


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Sujet de stage : Révision du modèle d’entrainement de gouttes utilisé

dans CATHARE-3 pour les réacteurs innovants sodium

Durée : 6 mois



Laboratoire d’accueil : DES/ISAS/DM2S/STMF/LMES

Futurs encadrants ou contacts : Marine ANDERHUBER (mail : [email protected])



Contexte En situation accidentelle, des bulles de vapeur sont susceptibles d’apparaître au sein de l’écoulement dans les cœurs innovants refroidis au sodium (RNRNa). Le frottement pariétal (frottement entre le fluide et les parois) joue un rôle important sur les pertes de charge dans le cœur du réacteur et ainsi sur la stabilité de l’écoulement dans ces conditions. Le modèle utilisé pour le frottement pariétal dans le code CATHARE-3 dépend du régime d’écoulement et c’est le modèle d’entrainement qui fait la bascule d’un régime d’écoulement à l’autre.

Objectifs L’objectif du stage est d’analyser l’applicabilité du modèle d’entrainement aux écoulements sodium et d’adapter en conséquence ce modèle afin d’améliorer les résultats de simulation obtenus sur des essais d’ébullition du sodium à forte puissance. 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. Après l’étape de familiarisation avec le code de calcul CATHARE et son modèle 2-fluides 6-équations,

le premier objectif sera d’étudier le modèle d’entrainement actuel en géométrie cœur, de comprendre

comment il a été établi et de prendre en main à minima une des expériences qui a servi à remettre en

question la validité de ce modèle. L’étape suivante est un travail bibliographique visant à chercher de

nouveaux modèles d’entrainement ou de nouvelles données expérimentales dans les conditions

d’intérêt. Enfin, une amélioration du modèle issue de travaux précédents sur le sujet et/ou du travail

bibliographique réalisé sera implémentée dans le code CATHARE en langage C++. Son impact sera

étudié sur la base de validation sodium, en particulier sur les tests à fortes puissances (forts titres) sur

lesquels le modèle actuel montre des limites. De nouvelles améliorations déduites du travail de

validation ou de l’étape bibliographique pourront également être proposées et testées.



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Environnement de travail Utilisation et développement du code de calcul CATHARE-3 en langage C++, environnement LINUX

Profil recherché Formation Master 2 ou équivalent en mécanique des fluides ou en génie nucléaire

Mots-clés Thermohydraulique diphasique, Simulation numérique


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Sujet de stage : Modélisation d’un MSR avec CATHARE-3

Durée : 6 mois



Laboratoire d’accueil : DES/ISAS/DM2S/STMF/LMSF

Futurs encadrants ou contacts : André BERGERON (mail : [email protected]) et Marine ANDERHUBER (mail : [email protected])



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 va échanger la chaleur avec un circuit secondaire qui va permettre d’extraire la chaleur 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 MSR (Molten Salt Reactor en anglais, ou Réacteur à Sels Fondus), 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.

Schéma de principe d’un MSR




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L’utilisation d’un combustible liquide présente des avantages potentiels considérables en termes de sûreté intrinsèques, de pilotabilité du niveau de puissance (compatible avec le développement des ENR), 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’internationale. 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 de puissance neutronique au sein de la zone critique requiert la connaissance fine de la distribution de la température au sein du sel combustible. En retour, cette distribution de température dépend de la distribution des réactions de fission (neutronique) au sein du sel combustible. Un MSR requiert donc un couplage neutronique/thermohydraulique pour l’évaluation de la puissance 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 est en train de mettre 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 trop coûteuse en ressources de calcul, et ce couplage est de ce fait impossible à utiliser en dehors de situations très précises et pour des calculs de références. Le recours à un code beaucoup plus rapide en terme de retour 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 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 pas la CFD) 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 », avec le code CATHARE-3, pour un réacteur de type MSR à spectre rapide.

Le stage sera effectué au CEA-Saclay au Service de Thermohydraulique et de Mécanique des Fluides (STMF), service du département DM2S de l’institut ISAS au CEA-Saclay. Cependant, l’équipe MSR est transverse au STMF et au SERMA (le service du DM2S dédié à la neutronique) et le stagiaire aura des interactions (réunions, discussions, travaux, résultats, etc.) avec l’ensemble des membres de l’équipe.

Après une initiation au fonctionnement global d’un MSR, les travaux constitueront en :

- Une prise en main de CATHARE-3,

- Une analyse de la modélisation CATHARE-3 à adopter en terme de discrétisation de la

boucle cœur et système complet d’un MSR (du cœur nucléaire jusqu’à la production

d’électricité),

- Une recherche bibliographique des propriétés thermodynamiques des sels primaires et

secondaires et leur implémentation dans le code,


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- Une recherche bibliographique d’une loi de fermeture pour modéliser les échanges

thermiques aux échangeurs, et potentiellement d’une loi de fermeture pour modéliser le

frottement pariétal dans les échangeurs, et leur implémentation dans le code,

- La réalisation d’un premier jeu de données CATHARE-3 MSR,

- La réalisation d’un premier transitoire de sûreté avec le schéma de calcul CATHARE-3 mis

au point.

- Et, si le temps le permet, une première analyse de l’adaptation du module de neutronique

point de CATHARE-3 pour un MSR.

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 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 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.

Mots-clés Thermohydraulique, Simulation numérique, CATHARE-3, MSR


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Sujet de stage / Internship topic : Validation du code CATHARE 3 sur

une boucle expérimentale intégrant une maquette du générateur de

vapeur compact d’un Small Modular Reactor (SMR) / Assessment of

CATHARE 3 code against an experimental facility including a compact

steam generator model of a Small Modular Reactor (SMR) Durée / Duration : 6 mois / 6 months

Démarrage / Beginning : A partir de Mars 2021 / From March 2021

Lieu / Location : CEA-Saclay, site de Saclay

Laboratoire d’accueil / Laboratory : DES/ISAS/DM2S/STMF/LMES

Futurs encadrants ou contacts / Contact :

Maxime VERNASSIERE (mail : [email protected])

Diplôme préparé / Prepared degree : Bac+5 – Master 2 ou Diplôme École d'ingénieurs / Master 2 or engineering school

Possibilité de poursuite en thèse / Possible opening on a PhD proposal : non / no

Contexte / Context

Les Small Modular Reactors (SMR) sont à l’heure actuelle un concept d’un grand intérêt pour intégrer

un mix énergétique décarboné. En effet en plus de présenter une sûreté renforcée, leur coût de

production serait réduit par rapport à celui des réacteurs à grande échelle, comme les Réacteurs à Eau

Pressurisée (REP) de type EPR.

Dans ce contexte, le Laboratoire de Modélisation et de simulation à l’Echelle Système (LMES)

développe le code de thermohydraulique CATHARE, afin de permettre la simulation à l’échelle système

des différents réacteurs nucléaires. Actuellement le concept de SMR est à l’étude, il existe en

particulier un fort besoin de validation du code CATHARE vis-à-vis des nouveaux composants. C’est

notamment le cas pour le générateur de vapeur (GV), qui pour des raisons de compacité du SMR est

très différent des GV qui équipent les REP du parc EDF actuel.

La validation de la modélisation de ce composant innovant avec CATHARE, s’appuie sur les résultats

issus d’une boucle expérimentale intégrant une maquette représentative du GV compact. Dans une

première phase de validation menée au sein du laboratoire, seuls les essais en régime permanent ont

été étudiés avec CATHARE, en modélisant seulement la maquette, sans le reste de la boucle. Les

résultats obtenus sont plutôt satisfaisants mais il est nécessaire d’élargir la base de validation de

CATHARE en modélisant des transitoires représentatifs du fonctionnement normal ou incidentel des

SMR, comme par exemple une opération d’ilotage, de suivi de charge ou bien un incident d’ouverture

intempestive de vanne vapeur.



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Currently, there is a strong interest in Small Modular Reactors, particularly to be included in a low-

carbon energy mix. Indeed, in addition to present an improved safety design, their cost of production

can be reduced in comparison with large scale reactors, as the EPR.

In this context, the Laboratoire de Modélisation et de simulation à l’Echelle Système (Laboratory of

Modeling and simulation at System Scale, LMES), at CEA Saclay, France, is developing the CATHARE

code, in order to allow the simulation of various nuclear reactors types at system scale. As the SMR

concept is studied, there is an important need of assessment for CATHARE regarding new components.

Especially for the steam generator (SG), which is far different from the PWRs one, due the compactness

issue of the SMRs.

The assessment of the modeling of this innovative component with CATHARE is based on results from

an experimental facility including a model of a SMR compact SG. During a first assessment step, carried

out by the laboratory, only steady state tests were studied. Moreover, only the compact SG model was

modeled, without the entire experimental loop. The results of this study were quite satisfying, still the

CATHARE assessment basis should be extended by modeling some normal operating or incidental

transients. Those could be for instance a house load operation, a load follow operation or a steam valve

spurious lift.

Objectifs / Objectives Le stage s’inscrit dans cette logique d’élargissement de la base de validation du code CATHARE vis-à-vis de la modélisation des SMR. Au cours du stage, le stagiaire devra :

se familiariser avec le concept de SMR, le fonctionnement du GV compact et les phénomènes physiques mis en jeu dans son fonctionnement ;

se familiariser avec la boucle expérimentale, sa géométrie, celle de la maquette, son fonctionnement général ou bien le type de transitoires réalisés ;

mettre à jour la modélisation de la boucle, en particulier décrire cette dernière totalement (travail déjà débuté au sein du laboratoire) ;

modéliser avec CATHARE des essais réalisés sur la boucle (notamment en mettant en place les régulations nécessaires) comme par exemple une procédure d’ilotage, des essais de sensibilité à la température moyenne primaire ou la température d’alimentation des GV ou bien un incident d’ouverture intempestive de la vanne vapeur ;

analyser les résultats obtenus avec CATHARE et les comparer aux résultats expérimentaux. This internship takes place in this choice of assessment basis extension and the following tasks will be carried out:

• getting to know the SMR concept, the compact SG way of operating and the physical principles on which it is based;

• getting to know the experimental facility, its geometry, the compact SG model specifications and general operating conditions and transient tests performed;

• updating the experimental loop CATHARE modeling, especially the modeling of the whole loop (this work has already begun in the laboratory);

• modeling with CATHARE the transient tests performed (in particular by implementing some controls in the simulation) as house load operation, sensitivity study on the primary mean temperature or feed water temperature, or an accident of steam valve opening (spurious lift);


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• analysing results obtained with CATHARE and comparing those results to experimental data.

Compétences requises ou souhaitées / Required or desired Skills

De bonnes bases en thermohydraulique diphasique ainsi qu’une bonne connaissance du

fonctionnement des REP sont recommandés.

Having a good basic knowledge of thermohydraulics is advised, as a good knowledge of PWR operating

conditions.

Profil recherché / Applicant profile Formation Master 2 ou 3e année école d’ingénieur

Master of Science 2nd year or 3rd year in engineering school


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Sujet de stage : Validation du code CATHARE sur des essais

de renoyage

Durée : 6 mois

Démarrage : février / mars 2021




Antoine du CLUZEAU CEA-Saclay DES/ISAS/DM2S/STMF/LMES [email protected], tél : 01 69 08 72 20

Philippe FILLION CEA-Saclay DES/ISAS/DM2S/STMF/DIR [email protected],

tél : 01 69 08 91 40



Contexte Le code CATHARE (Code avancé de thermohydraulique pour les accidents de réacteurs à eau),

est un code système (modélisant les grandes échelles d’un réacteur nucléaire) développé par le CEA

depuis 1979. Basé sur un système de corrélation modélisant une multitude de phénomènes physiques,

il est utilisé par les opérateurs du nucléaire français dans la prédiction des scénarios accidentels.

Parmi ces scénarios, l’incident de type grosse brèche (rupture de tuyauterie dans le circuit

primaire) peut provoquer une perte importante du fluide caloporteur dans le circuit et une chute de

la pression primaire. Il s’en suit un assèchement du cœur qui monte alors rapidement en température.

Les accumulateurs se déclenchent alors et déchargent de grande quantité d’eau pour renoyer le cœur

et le refroidir.

Le renoyage est un transitoire complexe comprenant de multiples phénomènes physiques. Il

fait intervenir différents régimes d’ébullition, de transfert de chaleur, différentes topologies

d’écoulements (annulaire, annulaire inverse, écoulement à gouttes, à slugs). La prédiction des

grandeurs clefs pour la sureté, comme la température maximale de gaine ou la propagation du front

de trempe, est un challenge à la fois physique et numérique.

Objectifs A l’occasion d’une nouvelle campagne d’essai de renoyage sur l’expérience à effets séparés

RBHT (Rod Bundle Heat Transfer Facility) [1], le CEA souhaite reprendre la validation du code CATHARE

sur ce type de transitoire. Lors de ce stage, le candidat aura l’opportunité d’utiliser le code CATHARE

pour réaliser des calculs de renoyage et participer à sa validation, il étudiera la sensibilité du code à

différents paramètres physiques et numériques, et explorera la physique de ce transitoire pour tenter

d’expliquer les limitations éventuelles du code.




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Compétences requises ou souhaitées - Utilisation de LINUX

- Langages : C++ / Python

- Qualités rédactionnelles

- Maîtrise de l’anglais écrit


Références [1] S. Bajorek, F.-B. Feung, Rod Bundle Heat Transfer Thermal-Hydraulic Program, Nuclear

Technology, 205 (2019) (doi: 10.1080/00295450.2018.1510697)

https://doi.org/10.1080/00295450.2018.1510697


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Sujet de stage : Modélisation du frottement interfacial multi-régime

dans les descentes annulaires des Réacteurs à Eau sous Pression

Durée : 6 mois





Florian Guillou

[email protected]

Diplôme préparé : Bac+5 - Master 2 ou Diplôme École d'ingénieurs


Contexte Le code CATHARE 3 est un code de

thermohydraulique à l’échelle système

développé au CEA et principalement utilisé

pour les études de sûreté des réacteurs

nucléaires. Dans certains scenarii d’accident de

perte de refroidissement primaire (APRP), la

prédiction de la dynamique de remplissage de

la cuve par les systèmes d’injection d’urgence

est primordiale. Or il peut se produire des

écoulements complexes dans la descente

annulaire de la cuve (transitions entre

différents régimes diphasiques, contre-

courants avec effets 3D, entrainement de

gouttes, condensation, asymétrie de chauffe

des parois…) difficiles à simuler avec précision.

Le frottement entre l’eau froide injectée et la

vapeur issue du cœur du réacteur notamment,

constitue un des termes prépondérants durant

cette phase de l’accident.

Le modèle de frottement interfacial (noté τi

dans la suite) du module de calcul 3D de CATHARE3 est basé sur des expériences réalisées en tuyau et

Figure 1: Illustration d'une phase de remplissage (source : https://doi.org/10.1016/0029-5493(93)90059-I)


https://doi.org/10.1016/0029-5493(93)90059-I


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s’avère ne pas être directement applicable à la phénoménologie de la descente annulaire

(downcomer). Un recalibrage a été réalisé et est actuellement utilisé pour couvrir cette plage

d’utilisation du modèle, mais la précision reste insuffisante.

Objectifs On se propose de chercher à améliorer la modélisation du τi dans CATHARE 3 pour les transitoires de

remplissage / renoyage des accidents APRP, en reconstruisant un modèle à partir d’un modèle de

glissement (drift-flux) et/ou de données expérimentales plus adaptées aux conditions downcomer, en

particulier de plus grands diamètres.

Déroulement envisagé :

Prise en main du système 6 équations de CATHARE, et compréhension de la construction d’un

modèle de τi à partir d’un modèle de drift-flux.

Etude bibliographique sur les modèles drift-flux dédiés à des expériences sur grands diamètres

hydrauliques [1], et/ou recherche de données expérimentales permettant d’en construire

un [2].

Comparaison théorique des différents modèles de τi sur des scripts autonomes (python

suggéré).

Prise en main de CATHARE 3.

Implémentation d’un modèle dans CATHARE3 et mise en données d’un cas de vérification.

Validation et évaluation du gain de précision sur des tests à effets séparés déjà existants dans

la base CATHARE.

Références [1] One-dimensional drift-flux correlation for vertical upward two-phase flow in a large size

rectangular channel, Tyler Abbs and Takashi Hibiki, Progress in Nuclear Energy 110 (2019)

[2] Experimental study on vertical downward air-water two-phase flow in a large diameter pipe,

Wang et al., Int. J. of Heat and Mass Transfer 118 (2018)

Compétences requises ou souhaitées thermohydraulique, échelle système, modélisation physique, système linux, notions de

programmation


Mots-clés CATHARE 3, APRP, downcomer, frottement interfacial, drift-flux


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Sujet de stage : Adaptation de maillage pour le schéma PolyMAC Durée : 6 mois





Athmane BAKHTA (mail : [email protected])

Antoine GERSCHENFELD (mail : [email protected])

Diplôme préparé : Bac+5 – Master 2 ou Diplôme École d'ingénieurs


Contexte Le Service de Thermohydraulique et de Mécanique des Fluides (STMF) réalise des modélisations,

étudie les algorithmes numériques, développe des logiciels de simulation et mène des études et

recherches fondamentales en mécanique des fluides et en thermohydraulique.

La simulation des écoulement diphasiques, intervenant dans les circuits de réacteurs nucléaires et

autres applications, s’effectue grâce à différents modèles d’écoulements diphasiques. Ces modèles

comportent des équations de conservation de la masse, de la quantité de mouvement et de l’énergie

pour chacune des phases liquide et vapeur couplées par des lois de fermeture. Les équations sont

discrétisées en espace par des méthodes de type Volumes Finis et en temps par des schémas d’Euler

(implicites et semi implicites).

PolyMAC [2][3] est un schéma numérique de type Volume Finis récemment introduit en

thermohydraulique. A la différence des schémas standards, il permet de traiter des maillages

polyédriques et non-conformes quelconques. Le schéma PolyMAC est implémenté en langage C++

dans la plateforme logicielle open source TRUST [1] et est utilisé pour la simulation du cœur du

réacteur nucléaire.

Dans certains cas tests étudiés au STMF, il est nécessaire de raffiner le maillage localement et de

manière évolutive car l’endroit qui requiert le raffinement évolue avec le temps. Cependant,

l’implémentation actuelle de PolyMAC ne permet pas un tel traitement.

Objectifs Le but de ce stage est d’implémenter une solution pour l’adaptation de maillage dans le schéma

PolyMAC. Une version simplifiée (toy model) du cas test réel sera d’abord considérée pour faciliter le

travail. Le stage s’articulera en plusieurs étapes :

- se familiariser avec le schéma PolyMAC et les modèles diphasiques ;




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- se familiariser avec la méthode MedCoupling qui permet d’interpoler des champs scalaires et

vectoriels entre deux maillages quelconques (disponible dans la plateforme logicielle source

TRUST) ;

- implémenter l’adaptation de maillage en combinant le schéma PolyMAC et la méthode

MedCoupling ;

- quantifier l’apport de la solution implémentée sur le « toy model » ;

- appliquer la solution à des cas tests réels pour faire un bilan des avantages/inconvénients.

D’autres aspects plus orientés vers les mathématiques ou vers la physique pourront être traités en

fonction de l’avancement du stage et de l’intérêt du (ou de la) stagiaire.

Références [1] https://sourceforge.net/projects/trust-platform/

[2] Antoine Gerschenfeld, Yannick Gorsse, Gauthier Fauchet, « Development of a Polyhedral

Staggered Mesh Scheme Application to Subchannel and CFD SFR Thermal Hydraulics », 18th

International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal-Hydraulics (NURETH-18), Portland,

Oregon (2019)

[3] R. Beltman, M. Anthonissen, B. Koren, “Conservative polytopal mimetic discretization of the

incompressible Navier–Stokes equations,” Journal of Computational and Applied

Mathematics, 340, 443 (2018).

Mots-clés

mathématiques appliquées, mécanique des fluides, calcul scientifique


Mathématiques appliquées, analyse numérique, programmation scientifique (Python, C++)

Profil recherché Ingénieur/master en mathématiques appliquées ou mécanique des fluides

https://sourceforge.net/projects/trust-platform/


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Sujet de stage : Analyse et optimisation d’un solveur non linéaire dans

le code de thermohydraulique Cathare Durée : 6 mois





Athmane BAKHTA (mail : [email protected])

Marc TAJCHMAN (mail : [email protected])



Contexte Le code de thermohydraulique CATHARE [1] est le code de référence en France pour les études de

sûreté. Il permet de modéliser, à l’échelle système, des circuits caloporteurs des réacteurs nucléaires

par assemblage d'éléments hydrauliques (conduites, plénums), thermiques (GV, combustible) et

technologiques (vannes, pompes...). Il est basé sur un système à 6 équations (conservation de la masse,

de la quantité de mouvement et de l’énergie pour chacune des deux phases, liquide et vapeur) et des

lois de fermetures. Les équations sont discrétisées en espace par volumes finis et en temps par des

schémas d’Euler (implicites et semi implicites).

Dans une simulation, on doit déterminer les valeurs des grandeurs caractérisant un écoulement

diphasique : vitesses, pression, enthalpies et taux de présence de chaque phase. Cela revient, après

discrétisation, à résoudre à chaque pas de temps un système non linéaire de la forme

F(X) = 0 où X représente le vecteur des inconnues discrétisées. (1)

Le code CATHARE utilise actuellement un schéma itératif de type Newton qui requiert le calcul de la

matrice dite Jacobienne du système non-linéaire (1), c’est-à-dire la matrice des dérivées partielles de F.

A chaque itération, l’incrément sur X est obtenu par résolution d’un système linéaire sur la matrice

Jacobienne. Formellement,

𝑿𝒏+𝟏 = 𝑿𝒏 − 𝑱−𝟏(𝑿𝒏)𝑭(𝑿𝒏).

La méthode de Newton peut rencontrer des problèmes de convergence si des dérivées partielles ne

sont pas définies ou peu régulières ou si la taille du pas de temps n’est pas suffisamment petite. C’est

par exemple le cas dans la modélisation de certaines situations accidentelles.




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Objectifs Le but de ce stage est de tester des méthodes alternatives à la méthode de Newton et d’optimiser la

gestion du pas de temps sur des applications de thermohydraulique système avec le code CATHARE.

Le travail s’articulera en plusieurs étapes :

se familiariser avec les simulations en thermohydraulique et faire une revue bibliographique ;

identifier les situations problématiques en effectuant un traçage numérique dans le code

CATHARE et établir une typologie des cas tests ;

implémenter des variantes de la méthode de Newton [2] et des méthodes dites « derivative-

free » dans laquelle on remplace le calcul de la dérivée par des expressions approchées

[3][4][5] ;

tester différentes variantes de ces méthodes et comparer les résultats ;

faire un bilan sur les avantages/inconvénients des différentes approches et suggérer d’autres

voies.



Références [1] http://cathare.cea.fr

[2] Kelley, C. T. (1995). Iterative methods for linear and nonlinear equations. Society for Industrial

and Applied Mathematics.

[3] Knoll, D. A., & Keyes, D. E. (2004). Jacobian-free Newton–Krylov methods: a survey of

approaches and applications. Journal of Computational Physics, 193(2), 357-397.

[4] Jain, P. (2007). Steffensen type methods for solving non-linear equations. Applied

Mathematics and Computation, 194(2), 527-533.

[5] Hueso, J. L., Martínez, E., & Teruel, C. (2015). Derivative free iterative methods for nonlinear

systems. Applied Mathematics and Computation, 259, 955-966.

Mots-clés





http://cathare.cea.fr/


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Sujet de stage : Réduction de modèles de thermohydraulique Durée : 6 mois



Laboratoire d’accueil : DES/ISAS/DM2S/STMF/LMEC


Michael NDJINGA, STMF/LMEC (mail : [email protected])

Geoffrey DANIEL, STMF/LGLS (mail : [email protected])

Athmane BAKHTA, STMF/LMES (mail : [email protected])



Contexte Le Service de Thermohydraulique et de Mécanique des Fluides (STMF) réalise des modélisations,

étudie les algorithmes numériques, développe des logiciels de simulation et mène des études et

recherches fondamentales en mécanique des fluides et en thermohydraulique.

La simulation des écoulements diphasiques, intervenant dans les circuits de réacteurs nucléaires et

autres applications, s’effectue grâce à différents modèles d’écoulements diphasiques. Ces modèles

comportent des équations de conservation de la masse, de la quantité de mouvement et de l’énergie

pour chacune des phases liquide et vapeur couplées par des lois de fermeture. Les équations

considérées dans ce stage sont discrétisées en espace par des méthodes de type Volumes Finis et en

temps par des schémas d’Euler (implicites et semi implicites).

La majorité des calculs effectués se fait en deux étapes : 1/ une étape de stabilisation qui vise à simuler

les écoulements en situation normale et 2/ une étape transitoire dans laquelle une situation

accidentelle est simulée (par exemple suite à l’ouverture d’une brèche dans un circuit

thermohydraulique). La motivation de ce stage consiste à caractériser l’ensemble des solutions de

l’étape de stabilisation grâce à des techniques de bases réduites, dans le but de calculer rapidement

des solutions pour cette étape coûteuse en temps de calcul.

Objectifs Le but de ce stage est de construire des bases réduites pour les solutions des équations diphasiques

en régime stabilisé. Le stage s’articulera en plusieurs étapes :

- Se familiariser avec les méthodes de bases réduites de type POD à travers un problème

académique (équation de transport) ;

- Se familiariser avec les modèles d’écoulement monophasique et diphasique et le code de

simulation Solverlab (code de recherche développé au sein du STMF) afin de produire un

ensemble de solutions d’intérêt ;





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- Implémenter un algorithme de construction de bases réduites appliqué aux solutions des

équations diphasiques en régime stabilisé obtenues précédemment ;

- Faire un bilan des avantages/inconvénients de la méthode proposée.



Mots-clés






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Sujet de stage / Internship topic : A Low Mach Numerical Approach

on Staggered Grid for solving Compressible Multiphase Flows Durée / Duration : 6 mois / 6 months

Démarrage / Beginning : 1er trimestre 2021 / 1st trimester 2021


Laboratoire d’accueil / Laboratory : DES/ISAS/DM2S/STMF/LMEC


Thomas GALIÉ (mail : [email protected])

Diplôme préparé / Prepared degree : Bac+5 – Master 2 ou Diplôme École d'ingénieurs / Master 2 or engineering school

Possibilité de poursuite en thèse / Possible opening on a thesis proposal : non / no

Contexte / Context This internship follows recent studies on a Low Mach Nuclear Core (LMNC) model which was firstly

derived from a compressible two-phase flow model. Such models have already been studied in [2] for

instance. The key idea is to write a simpler model by filtering out the acoustic waves thanks to an

asymptotic development under the Low Mach number hypothesis. We want to use the same approach

in order to define a numerical method to solve the compressible model on a staggered grid. The

compressible model we are interested is called HRM and is a mixture model. One can find an accurate

description of it in [1].

Objectifs / Objectives The intern will first have to derive the numerical approach by using the LMNC model derived from the compressible one. The candidate will use an existing Python research code to test the new method in one space dimension for real water equation of states. In order to test multidimensionnal problem, the candidate will then implement in our industrial code FLICA5 (C++) the same approach and will compare results with the actual method on basic test cases.

Bibliographie / Bibliography

[1] A. Ambroso, J.-M. Hérard, and O. Hurisse. A method to couple HEM and HRM two-phase flow

models. Computers and Fluids, Elsevier, 38 :738–756, 2009.

[2] S. Dellacherie. On a Low Mach Nuclear Core Model. ESAIM : Proceedings, 35 :79–106, 2012.

Profil recherché / Applicant profile Formation Master 2 ou 3e année école d’ingénieur / Master of Science 2nd year or 3rd year in

engineering school



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Sujet de stage : Simulations HPC d’écoulements diphasiques par LBM

Durée : 6 mois






Alain CARTALADE CEA-Saclay DES/ISAS/DM2S/STMF Bât 451 p. 22 [email protected], tél : 01 69 08 40 67

Pierre KESTENER CEA-Saclay, DRF/IRFU/DEDIP/LILAS Bât 141 p.104B [email protected], tél : 01 69 08 76 08 40



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). Ce sujet

de stage s’inscrit dans une problématique visant à améliorer les simulations HPC (High Performance

Computing) d’écoulements diphasiques non miscibles avec ou sans changement de phase.

Objectifs Le sujet du stage consiste à simuler avec LBM_saclay plusieurs problèmes diphasiques qui nécessitent

le suivi d’interface entre deux phases. Le modèle mathématique est basé sur les équations de Navier-

Stokes, couplées au modèle conservatif de Allen-Cahn et à l’équation de la chaleur [2]. Il s’agira dans

un premier temps d’étendre du 2D au 3D certains termes sources du modèle mathématique déjà

programmés dans LBM_saclay pour simuler l’ébullition en paroi. La mise en œuvre numérique sera

ensuite validée quantitativement sur un cas classique d’instabilité de Rayleigh-Taylor en 2D puis en 3D

en s’appuyant sur des travaux déjà publiés dans la littérature [3, 4]. On réalisera plusieurs simulations

de sensibilité aux paramètres pertinents du modèle et de la méthode numérique. Selon l’état

d’avancement du stage, différentes directions de travail pourront être envisagées : 1) amélioration du




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noyau de collision de l’algorithme LBM ou 2) test d’une formulation alternative de l’équation de Allen-

Cahn ou 3) comparaisons des temps de calcul sur les différents clusters de calculs accessibles au CEA

(plateformes GPUs et CPUs).

Environnement de travail Le stage s’effectuera au sein du Laboratoire de Modélisation et Simulation en mécanique des Fluides

(LMSF) du Service de Thermo-Hydraulique et Mécanique des Fluides (STMF) du CEA–Saclay qui

regroupe des compétences sur les aspects LBM et les modèles à champ de phase. Ce travail se réalisera

en collaboration avec la DRF du CEA–Saclay qui possède les compétences sur les aspects HPC du sujet.

La durée recommandée pour ce travail est de 6 mois pour un début effectif au CEA–Saclay au premier

trimestre 2021.

Directions de travail

Compréhension du modèle physique, 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, la modélisation physique et la programmation.

Mots-clés Lattice Boltzmann Method, Navier-Stokes, modèle à champ de phase, LBM_saclay, 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] 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.

[3] A. Fakhari, T. Mitchell, C. Leonardi, D. Bolster, Improved locality of the phase-field lattice-Boltzmann model for immiscible fluids at high density ratios, Phys. Rev. E 96 (2017) 053301. doi:10.1103/PhysRevE.96.053301.

[4] T. Mitchell, C. Leonardi, A. Fakhari, Development of a three-dimensional phase-field lattice Boltzmann method for the study of immiscible fluids at highdensity ratios, International Journal of Multiphase Flow 107 (2018) 1 – 15. doi:10.1016/j.ijmultiphaseflow.2018.05.004.


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Sujet de stage : Simulations HPC d’écoulements diphasiques dans une

colonne pulsée

Durée : 6 mois






Alain CARTALADE CEA-Saclay DES/ISAS/DM2S/STMF Bât 451 p. 22 [email protected], tél : 01 69 08 40 67

Tojonirina RANDRIAMANANTENA CEA-Marcoule, DES/ISEC/DMRC/SASP/LSPS Bât 57 p.118 [email protected] tél : 04 66 79 65 34



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 uivie 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). Le sujet de stage vise à enrichir la base de cas tests de LBM_saclay en étudiant une nouvelle application impliquant des écoulements diphasiques sans changement de phase.

Objectifs

Le sujet du stage consiste à mettre en œuvre des simulations HPC avec LBM_saclay d’un problème d’extraction liquide–liquide mis en place dans une colonne pulsée du CEA–Marcoule [3, 4]. On s’intéressera plus particulièrement au processus de fragmentation d’une des deux phases liquides suivi de la formation d’une émulsion de cette même phase. Dans ce système, les deux liquides sont immiscibles et ont des densités proches mais leur rapport de viscosités peut être égal à huit. Le modèle mathématique est basé sur les équations de Navier-Stokes incompressibles, couplées au modèle conservatif de Allen-Cahn pour le suivi de l’interface entre les deux phases [2]. Le travail consistera dans un premier temps de tenir compte d’une géométrie solide à l’intérieur du domaine de calcul. Il s’agira ensuite d’étendre les conditions aux limites actuellement mises en oeuvre dans le code pour qu’elles soient adaptées à la périodicité du débit en entrée de colonne. Des comparaisons des temps




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de calcul seront réalisées sur les différents clusters de calculs accessibles au CEA (plateformes GPUs et CPUs).

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 aspects LBM et les modèles à

champ de phase. Ce travail se réalisera en collaboration avec le laboratoire LSPS du CEA–Marcoule qui

possède les compétences sur les aspects CFD de la colonne pulsée. La durée recommandée pour ce

travail est de 6 mois pour un début effectif au CEA–Saclay au premier trimestre 2021.

Directions de travail

Compréhension du modèle physique, 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, la modélisation physique et la programmation en C++.

Mots-clés Lattice Boltzmann Method, Method, Navier-Stokes, modèle à champ de phase, LBM_saclay , C++,

colonne pulsée.

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] 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.

[3] A. Amokrane, Étude et modélisation du comportement de la phase dispersée dans une colonne pulsée : application à un procédé de précipitation oxalique, Thèses, Université Claude Bernard - Lyon I (May 2014). URL https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01064565

[4] S. Castellano, Multiscale study and modeling of dispersion properties relevant for liquid-liquid extraction : adaptation of breakup and coalescence kernels to industrial processes, Thèses, Université de Lyon (2019). URL https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-02505193

https://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-44649-3

https://dx.doi.org/10.1016/j.cma.2020.113266

https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01064565

https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-02505193


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Sujet de stage : Modélisation moyennée des écoulements diphasiques

en canal rectangulaire à partir de simulations numériques CFD : mise en

œuvre d’une remontée d’échelle et application aux réacteurs à plaques

Durée : 6 mois





Guillaume BOIS

[email protected]

Tél : 01 69 08 69 86 Diplôme préparé : Bac+5 – Master 2 / Diplôme École d'ingénieurs


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 la simulation fine (DNS, Simulation Numérique Directe diphasique) est utilisée

comme base solide pour le développement de modèles de CFD diphasique moyennée (statistique). A

partir de ces travaux, nous construisons un modèle moyenné de type RANS et nous évaluons celui

implémenté dans le code quadripartite Neptune_CFD (CEA, EDF, Framatome, IRSN). Les simulations

CFD (simulation numérique d’écoulements turbulents monophasiques ou diphasiques) restent chères

et elles ne sont pas employées directement pour les études de sûretés des réacteurs nucléaires. Pour

réaliser un grand nombre de simulations paramétriques, des codes de thermohydraulique moyennée,

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 « composant » ou « 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 peut être obtenue théoriquement par une analyse dite

de remontée d’échelle. Elle implique alors la solution locale obtenue à l’échelle CFD. Par conséquent,

des travaux analytiques s’appuyant sur des études CFD, sur de l’analyse théorique et sur des post-

traitements peuvent être engagés. Ils ont débuté pour calibrer ces modèles dans le cadre

monophasique et étudier leur validité afin de satisfaire les exigences croissantes de sûreté et de

performances des codes de calculs.



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Objectifs L’objectif du stage proposé est de mettre en œuvre cette méthode pour évaluer les modèles

macroscopiques à partir de simulations CFD. Le candidat devra effectuer et post-traiter des 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. La comparaison de ces données

aux modèles classiques utilisés à l’échelle poreuse permettra d’évaluer ou de valider 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. Ce projet a pour objectif d’étendre la méthode en en

proposant une première application aux modèles diphasiques.

Description du déroulement du stage : 1. Simulations HPC diphasiques. 2. Analyse des résultats, construction des termes macroscopiques, hiérarchisation. 3. Evaluation des modèles existants.

Compétences requises ou souhaitées Mécanique des fluides, simulation numérique, modélisation, thermohydraulique

Profil recherché Intérêt pour la simulation numérique, esprit d’analyse et de synthèse, regard critique. La nationalité

française est requise.


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Sujet de stage : Simulation numérique d’une bulle de Taylor :

comparaison de deux méthodes avec l’expérience

Durée : 6 mois





Alan BURLOT ([email protected])

Guillaume BOIS ([email protected])

Ulrich BIEDER ([email protected])



Contexte

La mécanique des fluides numérique (CFD) est aujourd’hui un outil indispensable dans l’élaboration,

la conception, la validation et l’étude de dispositifs industriels. L’étude des écoulements diphasiques,

notamment dans les réacteurs à eau pressurisée, est un enjeu majeur en particulier pour évaluer les

risques liés au fonctionnement en régime bouillant. La simulation directe (DNS) et la CFD

multiphasique (CMFD) [3] permettent d’effectuer des expériences numériques à différentes échelles

pour étudier cette ébullition dans des configurations variées.

La DNS diphasique profite aujourd’hui de l’importante puissance de calcul à disposition. Au moyen

d’un algorithme de capture d’interface, il est possible d’étudier l’évolution d’un écoulement

impliquant deux fluides en suivant précisément l’interface les séparant. Ce type de simulation est

réservé à des configurations simples. Moins gourmande en puissance de calcul, la CMFD permet

l’étude de configuration plus complexe par une approche dite moyennée grâce aux équations RANS

appliquées à chacun des fluides. Notre laboratoire (LMSF) dispose de deux outils de simulation, un

pour la DNS (TrioCFD [1]) et un pour la CMFD (NeptuneCFD [2], co-développé avec EDF, Framatome et

l’IRSN).

Dans le cadre d’une collaboration avec le Jožef Stefan Institute à Ljubljana en Slovénie, des mesures

expérimentales sur l’écoulement d’une bulle de Taylor ont été effectuées1. Ce type d’écoulement est

présent dans des échangeurs de chaleur dit pulsés [4]. C’est également un cas d’étude intéressant pour

la validation de méthode de capture d’interface. En effet, cela requiert la capture d’une grande

interface ainsi que la gestion de la fragmentation à l’arrière de la bulle.

1 Voir un exemple sur cette vidéo https://www.youtube.com/watch?v=HTFylkr018U




https://www.youtube.com/watch?v=HTFylkr018U


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Objectifs Dans ce contexte, le stage proposé vise à mettre en place les simulations numériques sur les deux

outils TrioCFD et Neptune_CFD afin de les analyser et les comparer aux données expérimentales.

L’objectif est de définir un cas de validation complet pour enrichir la base de validation des deux codes

de calcul. La comparaison des deux approches numériques permettra également d’évaluer l’effet de

la prise de moyennes dans la formulation RANS. Cette articulation de l’expérience, la simulation directe

et la CMFD est une mise en pratique concrète d’une démarche de remontée d’information entre

différents niveaux de modélisation, démarche au cœur des travaux du laboratoire.

Compétences requises ou souhaitées Simulation, mécanique des fluides, thermohydraulique, notions de turbulence et/ou sur les

écoulements diphasiques

Profil recherché Intérêt pour la simulation, sens physique et regard critique

Références [1] P.-E. Angeli, M.-A. Puscas, G. Fauchet et A. Cartalade. « FVCA8 Benchmark for the Stokes and

Navier–Stokes Equations with the TrioCFD Code—Benchmark Session ». Finite Volumes for Complex Applications VIII - Methods and Theoretical Aspects. Sous la dir. de C. Cancès et P. Omnes. Cham : Springer International Publishing, 2017, p. 181–202.

[2] A. Guelfi, D. Bestion, M. Boucker, P. Boudier, P. Fillion, M. Grandotto, J.-M. Hérard, E. Hervieu et P. Péturaud. « Neptune: a New Software Platform for Advanced Nuclear Thermal Hydraulics ». Nuclear Science and Engineering 156.3 (2007), p. 281–324.

[3] M. Ishii et T. Hibiki. Thermo-Fluid Dynamics of Two-Phase Flow. Springer New York, 2011. [4] M. Marengo et V. S. Nikolayev. « Pulsating Heat Pipes: Experimental Analysis, Design and

Applications ». Encyclopedia of Two-Phase Heat Transfer and Flow IV. World Scientific, 2018. Chap. Chapter 1, p. 1–62.

https://books.google.fr/books?vid=ISBN978-3-319-57397-7

https://books.google.fr/books?vid=ISBN978-3-319-57397-7

https://doi.org/10.13182/NSE05-98

https://doi.org/10.13182/NSE05-98

https://link.springer.com/book/10.1007%2F978-1-4419-7985-8


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Figure 2. Exemple d'un mode d'instabilité en écoulement axial

Sujet de stage : Simulation numérique de l’interaction entre un

écoulement axial et un cylindre élancé

Durée : 6 mois





M. A. Puscas, DES/ISAS/DM2S/STMF/LMSF ([email protected])

R. Lagrange, DES/ISAS/DM2S/SEMT/DYN ([email protected])

Diplôme préparé : Bac +4/5 – Master / Diplôme École d'ingénieurs


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 immergé 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.




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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).

Compétences requises Mécanique des fluides

Moyens mis en œuvre calculs CFD, analyse de stabilité, étude paramétrique

Logiciel : TrioCFD


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Figure 1. Visualisation (PIV) d’un écoulement en faisceau

Sujet de stage : Etude numérique de l’interaction d’un écoulement

transverse et d’un faisceau de tubes

Durée : 6 mois





R. Lagrange, DES/ISAS/DM2S/SEMT/DYN ([email protected])

M. A. Puscas, DES/ISAS/DM2S/STMF/LMSF ([email protected])

Diplôme préparé : Bac +4/5 – Master / Diplôme École d'ingénieurs


Contexte Les générateurs de vapeur (GV) des centrales nucléaires sont constitués de faisceaux de tubes soumis

à des écoulements diphasiques de type eau-vapeur. Les forces de pression et de viscosité exercées par

le fluide sur les tubes engendrent des vibrations, pouvant entrainer un endommagement des GV par

usure et fatigue. Ce phénomène vibratoire résulte d'une compétition entre l'intensité des forces

fluides et la rigidité des tubes. Lorsque la vitesse de l'écoulement devient trop importante, cette

compétition se manifeste sous la forme de vibrations excessives.

Dans le but de mieux appréhender et quantifier ce phénomène vibratoire, des études

expérimentales sont menées au sein du laboratoire d'études de DYNamique (DYN) du CEA, sur des

maquettes à échelle réduite en fluide simulant.

Objectifs L'objectif du stage du stage est de compléter ces études expérimentales par la simulation numérique

de la force exercée par l'écoulement transverse d'un fluide sur un tube flexible positionné au centre

d’un faisceau de tubes rigides (voir Figure 1). Nous chercherons en particulier à comprendre l'influence

du nombre de Reynolds et de la flexibilité du tube sur les caractéristiques de la force fluide et du seuil

d’instabilité.




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Les simulations numériques réalisées avec le code de calcul TrioCFD, 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 tube. Les résultats numériques seront confrontés aux mesures

expérimentales et permettront d'alimenter les pistes de réflexions du laboratoire DYN concernant les

risques vibratoires des tubes de générateur de vapeur.

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).

Compétences requises Mécanique des fluides

Moyens mis en œuvre calculs CFD, étude paramétrique

Logiciel : TrioCFD


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Sujet de stage : Validation de modèles du tenseur de Reynolds établis

par apprentissage machine

Durée : 5/6 mois





Pierre-Emmanuel ANGELI, STMF/LMSF ([email protected], tél : 01 69 08 47 21)

Guillaume DAMBLIN, STMF/LGLS ([email protected], tél : 01 69 08 39 18)

Diplôme préparé : Bac +5 – Master 2 / Diplôme École d'ingénieurs

Possibilité de poursuite en thèse : oui

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 (DNS). Ils exigent cependant un important

effort de modélisation. L’une des problématiques habituelles est celle de la modélisation du tenseur

d’anisotropie (version adimensionnée du tenseur de Reynolds), qui apparaît lors de l’application aux

équations de Navier-Stokes d’un opérateur de moyenne statistique : elle peut se faire soit par une

fermeture linéaire (hypothèse de Boussinesq), soit par des fermetures non linéaires, c’est-à-dire des

relations polynomiales entre le tenseur des taux de déformation et le tenseur des taux de rotation

(modèle de Pope [1]).

Figure 1. Composantes du tenseur d’anisotropie dans la section d’un canal rectangulaire infiniment long calculées par simulation numérique directe (DNS) avec TrioCFD.




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Si les fermetures complexes proposées dans la littérature sont nées de l’esprit humain, il est désormais

possible, grâce à l’accroissement des ressources informatiques, de les faire apprendre par des réseaux

de neurones afin de gagner en universalité et en précision. Il s’agit pour cela d’analyser des solutions

de référence calculées par DNS (Figure 1), où toutes les échelles de la turbulence sont explicitement

calculées sans intervention d’aucun modèle, et de déployer des architectures neuronales adaptées. Au

cours de précédents stages, nous avons mis en œuvre cette approche à partir des travaux [2]. L’intérêt

de l’architecture neuronale utilisée est qu’elle prend en compte l’invariance galiléenne du tenseur de

Reynolds. Les modèles neuronaux obtenus ont ensuite été intégrés dans le code de simulation

numérique en mécanique des fluides développé dans l’équipe, appelé TrioCFD [3].

Objectifs L’objectif du présent stage sera de valider a posteriori ces modèles de fermeture par des simulations

numériques RANS sur des cas simples d’écoulement monophasique, tel que le canal plan ou le canal à

section carrée ou rectangulaire, avec une variation possible de certains paramètres géométriques ou

de l’écoulement. Ce type de configuration académique présente l’avantage d’être géométriquement

simple, autorisant des simulations numériques rapides sur des maillages structurés, et également

d’être largement étudié et documenté dans la littérature scientifique. La validation consistera à

comparer et analyser les composantes du tenseur d’anisotropie, du vecteur vitesse, et autres

grandeurs d’intérêt (par exemple les invariants du tenseur d’anisotropie) par rapport aux données DNS

de référence. On étudiera également certains perfectionnements du modèle neuronal, tels que des

versions bas Reynolds permettant de résoudre la totalité de la couche limite. On s’intéressera enfin au

cas de la marche descendante, pour laquelle une base de simulation DNS est prête à être exploitée.

La thématique de l’application de l’apprentissage machine à la modélisation de la turbulence connaît

depuis quelques années un engouement croissant, comme en témoigne le nombre exponentiel

d’articles publiés dans la littérature scientifique consacrée. Un fort dynamisme a été initié au CEA

autour de cette activité. Le stage se déroulera sur le centre du CEA Paris-Saclay, au sein du STMF

(Service de Thermohydraulique et de Mécanique des Fluides). Deux laboratoires du STMF, le LMSF et

le LGLS, apporteront leur soutien scientifique tout au long du stage : le LMSF (Laboratoire de

Modélisation et de Simulation en Mécanique des Fluides) développe le code de calcul TrioCFD [3] qui

sera utilisé par le stagiaire, et le LGLS (Laboratoire de Génie Logiciel et de Simulation) développe de

façon transverse des méthodes et des outils dédiés aux études réalisées avec les codes de calcul.

Le stage se poursuivra par une thèse qui débutera en octobre 2021.

Références [1] S.B. Pope, A more general effective-viscosity hypothesis, J. Fluid Mech., vol. 72, 1975. [2] J. Ling, A. Kurzawski et J. Templeton, Reynolds averaged turbulence modelling using deep

neural networks with embedded invariance, J. Fluid Mech., vol. 807, 2016. [3] Site internet du code TrioCFD (en cours d’évolution) : http://triocfd.cea.fr

http://triocfd.cea.fr/


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Profil souhaité

Niveau Bac+5 (3e année d’école d’ingénieurs ou Master 2)

Connaissances en simulation numérique en mécanique des fluides (CFD), modélisation de la

turbulence, machine learning

Connaissances basiques de Linux, du langage Python et de LaTeX

Capacité de rédaction et maîtrise de l’orthographe, esprit critique et d’analyse, goût pour la

recherche


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Sujet de stage : Reprise de validation du baltik Front Tracking

de TrioCFD

Durée : 6 mois




Futurs encadrants ou contacts : Julie DARONA (mail : [email protected], tél : 01 69 08 58 02), Guillaume BOIS ([email protected])



Contexte TrioCFD est un outil de CFD (Computational Fluid Dynamics) générique, développé à la DEN depuis 1995 à 2015 sous le nom Trio_U. Avec le passage en open source en 2015, Trio_U a été séparé en 2015 entre la plateforme informatique/numérique TRUST et la plateforme physique ayant pris le nom TrioCFD. Le code est dédié à la simulation des écoulements instationnaires, incompressibles ou faiblement compressibles (bas-Mach) pour les applications nucléaires (thermohydraulique des réacteurs) mais également pour des écoulements turbulents monophasiques sur des géométries complexes. Un module de suivi explicite d'interfaces (Front Tracking, FT) permet aussi la simulation d'écoulements diphasiques à l'échelle locale.

TrioCFD est en mesure de modéliser des applications à différentes échelles (globale, intermédiaire et locale) de par les modèles physiques et numériques très généraux et variés qui le constituent, permettant d’envisager son utilisation dans tous les domaines de sûreté des réacteurs nucléaires. De plus, une large base de validation (450 fiches de non-régression et 150 fiches de validation) couvre toute la physique des écoulements attendue sous des conditions nominales et accidentelles dans les réacteurs nucléaires à eau pressurisé (REP) et à neutrons rapides à sodium (RNR-Na). TrioCFD est principalement un code de recherche développé par le CEA, également utilisé pour les échelles globales et intermédiaires dans certaines études de sureté comme les accidents de criticité (dilution inhérente de bore et rupture de tuyauterie vapeur), ou pour étudier l’effet de brèches dans le circuit primaire (brèche induite dans le générateur vapeur). Le CEA a pour ambition d’étendre la gamme de validation de TrioCFD à certains écoulements diphasiques à l’échelle la plus locale afin qu’il puisse également être utilisé, à cette échelle, pour des dossiers de sureté (e. g. pour étudier de l’entrainement de gaz dans les RNR-Na).

A cette échelle-ci, l’écoulement diphasique est constitué de phases monophasiques séparées par des interfaces mobiles. La simulation numérique directe de ces écoulements consiste à simuler numériquement toutes les échelles spatio-temporelles de l’écoulement avec une description individuelle de toutes les inclusions (bulles ou gouttes). En comparaison à la simulation numérique des écoulements monophasiques, la difficulté principale réside dans le suivi des interfaces mobiles. Plusieurs méthodes numériques permettent un tel suivi, parmi lesquelles, une est plus




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particulièrement étudiée et développée dans TrioCFD à savoir la méthode « Front-Tracking » pour laquelle, des fiches de validation sont présentes mais montrent des instabilités notables.

Objectifs L’objet du stage proposé ici est donc de travailler sur la convergence des résultats présentés dans les fiches de validation du Baltik Front-Tracking de TrioCFD afin d’obtenir une validation de cette partie du code et pouvoir ainsi utiliser TrioCFD dans des études de sureté à l’échelle locale. Dans le cadre de ce stage, une à deux configurations académiques seront plus particulièrement étudiées à savoir la goutte pendante (handing drop) et la bulle oscillante (oscillating bubble). Pour ce faire, le stage s'orientera sur les axes suivants :

Bibliographie et analyse physique des résultats actuels afin de comprendre la provenance des instabilités actuelles ;

Analyse du maillage actuel et amélioration de celui-ci afin de s’assurer de la bonne convergence en maillage de ces cas d’école en respectant les contraintes en temps de calcul inhérentes à la validation régulière du code ;

Validation des résultats numériques obtenus avec les résultats théoriques et expérimentaux ;

Mise à jour des jeux de données et des fiches de validation correspondants.

Compétence souhaitées - Thermohydraulique diphasique, mécanique des fluides

- Utilisation de code de calculs scientifiques

Profil recherché Formation Master 2 / Ecole d’ingénieur

Mots-clés Thermohydraulique diphasique, Simulation numérique


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Sujet de stage : Développement d'une nouvelle méthode parallèle pour

la gestion de la périodicité dans les simulations CFD

Durée : min. 5 mois



Laboratoire d’accueil : DES/ISAS/DM2S/STMF/LGLS


Anida KHIZAR ([email protected]) Adrien BRUNETON ([email protected]) Guillaume BOIS ([email protected] )

Diplôme préparé : Bac+5 – Diplôme École d'ingénieurs – Master 2


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 déclanchement 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. La méthode Front-Tracking offre une grande précision des résultats mais elle est associé au suivi d’un maillage surfacique mobile et déformable (le Front), immergé dans une grille volumique fixe (maillage dit Eulerien). La qualité de ce maillage est importante. Les interactions entre les deux grilles sont complexes, en particulier au niveau de la gestion des conditions aux limites. Pour satisfaire aux contraintes HPC (Calcul Haute Performance), une refonte importante du code a été entreprise il y a 10 ans, afin d’évaluer le gain de performance lié à l’utilisation d’une discrétisation structurée couplée à la création d’un solveur multi-grille et à l’utilisation intensif de la vectorisation. Une application très spécifique (nommée TrioIJK), dédiée aux écoulements en canal plan est ainsi née, puis a évoluée pour prendre en compte les écoulements diphasiques. Elle est utilisée intensivement pour des simulations massivement parallèles. 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. Les domaines de calcul (Eulérien et le Front) sont découpés 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, et afin de simuler un domaine d'étude d'étendue infinie dans certaines directions, des conditions limites périodiques sont appliquées sur certains bords du domaine. Ainsi dans ces directions les grandeurs physiques se raccordent continûment d'un bord à l'autre du domaine. Il est alors difficile de maintenir





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la connectivité nécessaire sur le Front pour évaluer la courbure par exemple. En pratique, l'implémentation informatique sous-jacente de la périodicité fait appel à un domaine étendu dans lequel le front d'interface est dupliqué artificiellement de part et d'autres des bords du domaine. Ce mécanisme lourd et complexe (notamment en configuration parallèle où les découpages des deux domaines est différent) rend le code peu flexible et alourdit inutilement son empreinte mémoire.

Figure 1 Direct Numerical Simulation of a turbulent bubbly flow.

Objectifs L'objectif du stage est de passer en revue la méthode actuelle de traitement des conditions limites de périodicité, et de remplacer ce mécanisme par l'utilisation de cellules fantômes de part et d'autre des bords périodiques. Un challenge particulier concerne la bonne marche de ce mécanisme dans une configuration séquentielle. Ce travail s'inscrit dans une démarche plus globale visant à appliquer un traitement similaire aux conditions

limites périodiques dans TRUST/TrioCFD lui-même.

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.

Mots-clés TrioIJK, front-tracking, C++, MPI.

Références [1] TRUST/TrioCFD website - http://www-trio-u.cea.fr

http://www-trio-u.cea.fr/


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Sujet de stage : Evaluation des notebooks Jupyter pour la gestion des

fiches de validation de la plateforme open-source

thermohydraulique TRUST





Futurs encadrants ou contacts : Adrien BRUNETON ([email protected])



Contexte La plateforme open-source thermohydraulique TRUST, développée au sein du CEA/DES,

permet la résolution des équations de Navier-Stokes incompressibles.

L'analyse des résultats de ce code de CFD se fait traditionnellement de plusieurs manières :

- soit via la production de fichiers dédiés qui peuvent être exploités avec les logiciels de

visualisation scientifiques ParaView et/ou VisIt,

- soit via la production de fichier ASCII correspondant à des listings de valeurs de certaines

variables échantillonnées en certains points (sondes).

L'ensemble de ces résultats peut être mis en forme au sein d'un document unique. La trame

de ce document est rédigée par l'utilisateur en utilisant une syntaxe texte simplifiée dans laquelle du

texte, des formules LaTex, des figures et des courbes extraites d'un (ou plusieurs) run(s) du code sont

insérées. L'ensemble est assemblé automatiquement par un outil ad-hoc sous forme d'un document

LaTex finalement compilé en un document PDF.

Ce type de document, nommé fiche de validation, sert à la fois d'outil de présentation des

résultats pour le physicien, mais est aussi utilisé dans les tests de non-régression du code lors des

sorties de version du code. La plateforme dispose effectivement d'outils de comparaison de fichiers

PDF permettant de détecter les variations dans ces fiches.

Objectifs Le but de ce stage est de revoir cette logique ad-hoc de mise en forme, de génération et de

comparaison des fiches de validation, pour évaluer les capacités d'autres outils standards et largement

répandus, tels que les notebooks Jupyter. La pertinence du développement d'un kernel TRUST pour

Jupyter sera notamment évaluée (i.e. la possibilité de lancer un calcul TRUST depuis un notebook

Jupyter).



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De nombreux cas d'applications concrets sur des calculs CFD turbulents serviront d'illustration

à la démarche et permettront aussi au stagiaire d'en apprendre plus sur ce domaine, notamment sur

la modélisation des écoulements turbulents.


du CEA à Saclay.

Compétences requises ou souhaitées - scripting Python, shell et une aisance avec l'environnement Unix en général,

- notions de base sur les notebooks Jupyter,

- des connaissances de base en mécanique des fluides sont souhaitables


Mots-clés TRUST, Jupyter, Python, validation.


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Sujet de stage : Développement d'un outil de post-traitement

statistique pour enrichir le processus de validation de la plateforme

open-source thermohydraulique TRUST





Futurs encadrants ou contacts : Elie SAIKALI ([email protected])



Contexte La plateforme open-source thermohydraulique TRUST, développée au sein du CEA/DES, permet la

résolution des équations de Navier-Stokes incompressibles ou quasi-compressibles (bas Mach).

L'analyse des résultats de ce code de CFD se fait traditionnellement de plusieurs manières : soit via la

production de fichiers dédiés qui peuvent être exploités avec les logiciels de visualisation scientifiques

ParaView et/ou VisIt, soit via la production de fichier ASCII correspondant à des listings de valeurs de

certaines variables échantillonnées en certains points (sondes).

Les fichiers sondes sont généralement utilisés pour fournir une analyse quantitative des données et

pour justifier la qualité de la résolution numérique. Cette analyse est classiquement réalisée de trois

manières différentes : soit en fonction du temps pour un point fixe de l'espace, soit en fonction d'un

segment/plan de sondes à temps fixe, soit enfin contre un segment/plan de sondes avec un temps

variable. Dans tous les cas, un outil de post-traitement est nécessaire pour interpréter les fichiers

sondes et fournir une analyse dans le domaine physique (temps/espace) ou dans le domaine spectral

(fréquence/longueur d'onde).

Objectifs Le but de ce stage est d'unifier cette procédure et de fournir avec le kernel de TRUST un outil utilisable

pour l'analyse du résultat. Le travail sera ciblé pour fournir des scripts python qui interprètent les

fichiers de sonde ASCII et appellent des fonctions de post-traitement internes en fonction du choix de

l'utilisateur. Les fonctions de la bibliothèque "numpy" seront utilisées pour le post-traitement

statistique dans le domaine physique (corrcoef, correlate, convolve, fft, ...), tandis que le paquet

"signal" de la bibliothèque "scipy" sera utilisé pour le post-traitement dans le domaine spectral

(welch, ...). La mise en place de cet outil de post-traitement sera illustrée via de nombreux cas

d'applications concrets sur des calculs CFD turbulents.



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du CEA à Saclay.

Compétences requises ou souhaitées - scripting Python, shell et une aisance avec l'environnement Unix en général,

- notions de base sur les notions statistiques : moyenne, ecart type, correlation, spectre,

- des connaissances de base en mécanique des fluides et turbulence sont souhaitables

Mots-clés TRUST, Statistiques, Python, numpy, analyse spectrale



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Sujet de stage / Internship topic : Développement d’une

méthodologie de Filtre Kalman d’ensemble et application à des

problématiques liées au nucléaire civil / Developing ensemble Kalman

filter method and applying it to various problem (including civil

nuclear studies)

Durée / Duration : 6 mois / 6 months

Démarrage : dès de possible en 2021 / when possible in 2021


Laboratoire d’accueil / Laboratory : DES/ISAS/DM2S/STMF/LGLS


Jean-Baptiste Blanchard (Mail : [email protected], Téléphone : 01 69 08 73 20)

Diplôme préparé / Prepared degree : Bac+5 - Diplôme École d'ingénieurs / Master 2, engineer school

Possibilité de poursuite en thèse / Possible opening on a PhD proposal : non / no

Contexte / Context Le laboratoire LGLS développe un environnement logiciel dédié au traitement des incertitudes que ce

soit pour leur propagation mais aussi pour la modélisation (polynôme de chaos, krigeage, réseau de

neurones...), l’analyse de sensibilité ou encore le calage de paramètre. Cette plateforme, appelé

Uranie [1] (open-source donc disponible sur sourceForge : https://sourceforge.net/projects/uranie/)

est principalement utilisée pour aider les codes de simulations du nucléaire civil pour leurs études

d’incertitudes.

Dans ce contexte, l’équipe Uranie souhaite intégrer des méthodes d’assimilation de données, souvent

regroupées sous le nom de filtre de Kalman [2], dont l’intérêt porte tant sur les aspects calage de

paramètres, que propagation d’incertitude quand le nombre de données et de paramètres deviennent

très grand soit de manière occasionnelle soit de manière itérative pour des signaux temporels par

exemple. De ce point de vue, il y a de nombreuses méthodes, dépendant des hypothèses et des

conditions du problème considéré.

The LGLS laboratory develops different software platforms among which one is dedicated to

uncertainty treatment for their propagation but also for surrogate modelling (chaos polynomial

expansion, kriging, neural network), sensitivity analysis or parameter calibration. This platform, called

Uranie [1] (open-source and available on sourceForge : https://sourceforge.net/projects/uranie/) is

mainly used to help simulation code handling uncertainty related issues when this is not their area of

expertise.

In this context, the Uranie team wishes to integrate data assimilation techniques, often gathered under

the name Kalman filter [2]. Their main interest is either parameters calibration or uncertainty


https://sourceforge.net/projects/uranie/

https://sourceforge.net/projects/uranie/


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propagation when the number of data and/or parameters is becoming very large. They can be applied

both on a static approach (when everything is available at once) and in a dynamic approach (with new

data coming regularly). Depending on the hypothesis and the problem modelling, there are a large

number of methods to be study.

Objectifs / Objectives L’objet de ce stage est donc de prendre en main les méthodologies discutées ci-dessus, c’est-à-dire :

Comprendre les hypothèses sous-jacentes aux approches BLUE (Best Linear Unbiased

Estimator) et variationnelles (3D-Var).

Étudier le rôle de l’hypothèse de linéarité et les solutions pour contourner ces limitations.

Passer des aspects statiques ci-dessus aux aspects dynamiques menant respectivement aux

filtres de Kalman et aux méthodes variationnelles dites 4D-Var.

Établir le lien entre ces différentes méthodes et les interprétations bayésiennes.

Étudier les aspects d’ensemble quand ces méthodes sont appliquées à un grand nombre de

données/paramètres, surtout quand les codes sont long à évaluer.

Appliquer chacune de ces étapes à des cas jouet pour validation, mais aussi à des cas plus

concrets liés aux domaines du nucléaire civil.

L’intégration des méthodes au sein de la plateforme Uranie sera aussi envisagée ainsi que la

documentation de ces dernières.

The main purpose of this internship is to handle these methods previously discussed, meaning

Understand the underlying hypothesis needed for the BLUE (Best Linear Unbiased Estimator)

and variational (3D-Var) approaches.

Study the rôle of the linearity hypothesis and the possible solutions to bypass this limitation.

Move from the static approach (when all data are available at once) to a dynamic one which

leads to respectively the Kalman Filter or the variational 4D-Var one.

Establish the link between the different methods and their possible connection to Bayesian.

Study the ensemble technique when methods are applied to a large number of

data/parameters, particularly when the simulation are costly (time and resources).

Apply these methods to simple toy function to validate the procedure and then to more applied

problem (probably linked to civil nuclear issues).

Integrating all these methods into the Uranie platform could be considered along with their

documentation so that a large community can use them.

Références / References [1] The Uranie platform: an open-source software for optimisation, meta-modelling and

uncertainty analysis, Jean-Baptiste Blanchard, Guillaume Damblin, Jean-Marc Martinez, Gilles Arnaud, Fabrice Gaudier, EPJ Nuclear Sci. Technol. 5 4 (2019), DOI: 10.1051/epjn/2018050.

[2] Asch, Mark, Marc Bocquet, and Maëlle Nodet. Data assimilation: methods, algorithms, and applications. Society for Industrial and Applied Mathematics, 2016.

https://dx.doi.org/10.1051/epjn/2018050


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Compétences requises ou souhaitées / Required or desired skills - Utilisation de LINUX

- Langages : C++ et / ou Python

- Statistique et probabilité

- Using LINUX

- Programming language: C++ and / or Python

- Statistics and probability

Profil recherché / Applicant profile

Étudiant/étudiante en école d’ingénieur ou master 2 en statistique, mathématiques appliquées,

géophysique, génie nucléaire

Student in engineer school, master 2 dealing with statistic, applied mathematics, geophysics, nuclear

engineering…

Mots-clés / Keywords Assimilation de données, calage de paramètres, propagation d’incertitude, statistique et

probabilité.

Data assimilation, parameter calibration, uncertainty propagation, statistic and probability.


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Sujet de stage : Inversion fonctionnelle des incertitudes de modèle en

simulation

Durée : 5 à 6 mois





Guillaume DAMBLIN, CEA ([email protected], tél : 01 69 08 39 18)

François BACHOC, IMT ([email protected], tél : 05 61 55 76 50)

Diplôme préparé : Bac+5 – Master 2 - Diplôme École d'ingénieurs


Contexte La simulation numérique est déployée de façon massive dans l’industrie pour concevoir, étudier ou

optimiser des systèmes physiques complexes. Elle nécessite une démarche de Vérification et de

Validation (V&V) dont l’objectif est d’évaluer la qualité des prédictions délivrées par les simulations

numériques vis-à-vis d’expériences réelles de références, en évaluant leurs sources d’incertitudes

respectives.

De façon à rendre les temps de calcul informatique acceptables, les simulations des systèmes

physiques complexes s’appuient généralement sur des modèles physiques simplifiés. Ces modèles

intégrés aux équations aux dérivées partielles sur lesquelles reposent les simulations sont parfois

qualifiés de « semi-empiriques ». L’incertitude inhérente à ces modèles peut être représentée par des

paramètres aléatoires en leur sein, dont les distributions de probabilité peuvent être estimées à partir

d’expériences réelles du phénomène physique étudié. Pour ce faire, des méthodes inverses issues du

champ de l’apprentissage statistique peuvent être mises en œuvre et font l’objet de cette proposition

de stage.

Par exemple, au sein des codes de thermohydraulique du CEA pour la simulation des réacteurs

nucléaires en conditions normales et accidentelles, ces incertitudes sont généralement évaluées par

la méthode CIRCE [1]. Cette méthode applique un coefficient (log)-gaussien 𝜆 en facteur de chaque

modèle physique de référence 𝑀𝑟𝑒𝑓 :

𝑀𝜆=𝜆×𝑀𝑟𝑒𝑓.

Ensuite, l’estimation de la moyenne et de la variance de 𝜆 s’appuie sur la confrontation des simulations

numériques 𝑌(𝑀𝜆) (où 𝑌(.) désigne le code de thermohydraulique) avec des résultats de référence 𝑍

provenant de maquettes de réacteurs à échelle réduite du phénomène étudié. Soit 𝑥1,𝑥2,…,𝑥𝑛 un

ensemble de 𝑛 conditions expérimentales différentes, alors pour 1 ≤ 𝑖 ≤ 𝑛

𝑍(𝑥𝑖)=𝑌(𝑀𝜆 ,𝑥𝑖)+𝜖𝑖




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où 𝜖𝑖 est une variable aléatoire gaussienne modélisant l’incertitude expérimentale. La méthode CIRCE

est une méthode statistique dite « inverse » car elle s’appuie sur l’amplitude des 𝑛 écarts entre 𝑍 et 𝑌

pour inférer la loi de 𝜆 qui est une « entrée » aléatoire de la simulation. Après avoir linéarisé 𝑌(𝑀𝜆,𝑥𝑖)

par rapport à 𝜆, les estimateurs calculés par CIRCE pour la moyenne et la variance de 𝜆 sont ceux du

maximum de vraisemblance [2].

Objectifs Nous proposons ici au stagiaire de développer une extension à la méthode CIRCE selon laquelle la

moyenne de 𝜆 dépend des conditions expérimentales 𝑥𝑖. Des techniques de régression par processus

gaussiens [3] pourront par exemple être utilisées pour modéliser la dépendance à 𝑥𝑖 [4]. Le stage aura

pour but le développement d’algorithmes statistiques destinés à l’estimation des paramètres du

processus aléatoire 𝜆(𝑥𝑖), puis l’illustration de leurs performances sur des cas analytiques de

démonstration. Une application à des simulations en thermohydraulique pourra éventuellement être

envisagée en fonction de la progression du stage.

Références [1] Damblin, G. and Gaillard, P. (2020) Bayesian inference and non-linear extensions of the CIRCE

method for quantifying the uncertainty of closure relationships integrated into thermal-hydraulic system codes, Nuclear Engineering and Design.

[2] Celeux, G et al. (2010) Identifying intrinsic variability in multivariate systems through linearized inverse problems. Inverse problems in Science and Engineering.

[3] Rasmussen, C.E. and Williams, C.K.I. (2005) Gaussian Processes for Machine Learning. The MIT Press.

[4] Brown, D.A. and Atamturktur, S. (2018) Non-parametric functional calibration of computer models, Statistica Sinica.

Environnement de travail Ce stage s’inscrit dans le cadre du projet ACIDITHY en partenariat avec les partenaires EDF et IRSN, et

de l’IMT (Institut de Mathématiques de Toulouse). Au sein du Commissariat à l’Énergie Atomique et

aux Énergies Alternatives (CEA), le Service de Thermohydraulique et de Mécanique des Fluides (STMF)

étudie les écoulements et les transferts thermiques au sein des réacteurs nucléaires. Le stage sera

encadré au sein du STMF par le laboratoire LGLS qui dispose de compétences en modélisation

probabiliste et statistique appliquée à la thermohydraulique. De plus, le stage bénéficiera de la

supervision rapprochée de l’IMT qui dispose de compétences avancées en apprentissage statistique et

méthodes inverses.


Des compétences de base en probabilités/statistiques (maximum de vraisemblance, modèles

linéaires, problèmes inverses, etc.).

La connaissance de Linux et du langage Python est souhaitable.

Une bonne qualité rédactionnelle est indispensable.

Profil recherché Niveau Bac+5 (3e année d’école d’ingénieurs ou Master 2)

Mots-clés Probabilités/statistiques, Apprentissage statistique (« Machine learning »)


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Sujet de stage : Modélisation d’incertitudes par utilisation du Dropout

en apprentissage profond – Application à la spectrométrie X et gamma

Durée : 4 à 6 mois

Démarrage : début mars 2021




Geoffrey DANIEL ([email protected])

Jean-Marc MARTINEZ ([email protected])

Diplôme préparé : Bac+5 – Master 2 - Diplôme École d'ingénieurs

Possibilité de poursuite en thèse : envisageable

Contexte Dans le domaine du calcul scientifique, les méthodes actuelles basées sur l’apprentissage machine

(Machine Learning) commencent aujourd’hui à être largement utilisées. Dans certains cas elles

permettent de compléter ou d’améliorer certaines modélisations complexes qu’on peut trouver dans

diverses disciplines comme en physique, en chimie ou en biologie. Leur utilisation dans les outils de

calcul scientifique nécessite une prise en compte des incertitudes sur les prédictions des modèles

inférés par apprentissage.

Objectifs Une famille de modèles particulièrement performants inférés par apprentissage machine est celle des

réseaux de neurones profonds. Mais ces modèles, contrairement aux processus gaussiens (limités aux

problèmes de petite dimension), ne permettent pas une modélisation probabiliste des erreurs de

prédiction.

Pour estimer les incertitudes de modèles on étudiera les approches statistiques de type Monte Carlo

fondées sur une utilisation du Dropout. On étudiera la formalisation de la quantification des

incertitudes par Dropout proposée par [1,2] et basée sur une interprétation bayésienne.

Dans un premier temps on mettra en œuvre cette approche sur des cas tests « jouet » afin de valider

la méthode d’estimation des prédictions et les intervalles de confiance associés, à la fois dans des cas

de classification et de régression.

Puis, des cas d’application de ces méthodes de quantification d’incertitudes seront traités pour la

spectrométrie X et gamma. Le but sera de vérifier la validité statistique de ces approches pour

quantifier l’incertitude sur l’identification des radioéléments à l’origine d’un spectre X et gamma acquis

avec un détecteur de photons de haute énergie.




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Références [1] Y. Gal, Z. Ghahramami, Dropout as a Bayesian Approximation : Representation Model Uncertainty

in Deep Learning, arXiv:1506.02142v6

[2] A. Kendall, Y. Gal, What Uncertainties Do We Need in Bayesian Deep Learning for Computer Vision,

arXiv:1703.04977v2

Environnement de travail Le stage s’effectuera au sein du Laboratoire de Génie Logiciel et de Simulation.

Les développements logiciels se feront avec la bibliothèque Python TensorFlow/Keras.

Compétences requises ou souhaitées Apprentissage statistique par réseaux de neurones

Méthodes bayésiennes

Langage Python

Profil recherché Formation Master 2, Ecole d’Ingénieurs

Mots-clés Intelligence artificielle. Réseaux de neurones. Deep Learning. Dropout.


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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

http://www.cea.fr/recrutement/Pages/je-cherche/un-stage.aspx



Documents

Propositions de stages 2021 au CEA/STMF