Propositions de stages 2022 au CEA/STMF

DES/ISAS/DM2S/STMF

18/10/2021

Propositions de stages 2022 au CEA/STMF

Service de Thermohydraulique et de Mécanique des Fluides

Chaque année, le CEA (Commissariat à

l'énergie atomique et aux énergies

alternatives) propose près de 1500 stages aux

étudiants qui souhaitent compléter leur

formation par une première pratique

professionnelle. Ces stages sont intégrés dans

le cursus scolaire de l'étudiant et effectués en

vue de la préparation d'un diplôme.

CEA Centre Paris-Saclay

PROPOSITIONS DE STAGES 2022 AU CEA/STMF

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

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

Sujets de stages 2022 .......................................................................................................................... 6

Sujet de stage / Internship topic : International benchmark activity on the simulation of

flow reversal experiments with the code CATHARE ..................................................... 7

Sujet de stage : Couplage des échanges thermiques en proche paroi dans un modèle de

flux critique en transitoires rapides. Application aux réacteurs expérimentaux. .............. 9

Sujet de stage : Prédiction des performances d’une pompe hélice avec le modèle

unidimensionnel du code CATHARE3 ....................................................................... 11

Sujet de stage : Analyse et simulation d’essais expérimentaux de décharge de vapeur

pour les modèles d’échange du logiciel CATHARE3 ................................................... 13

Sujet de stage : Amélioration des modèles de ballonnement des gaines combustible

avec le code de calcul thermo-hydraulique CATHARE-3 ............................................. 15

Sujet de stage : Adaptation du module neutronique de cinétique ponctuelle du code

système CATHARE pour modéliser le comportement d’un Réacteur à Sel Fondu .......... 17

Sujet de stage : Etude expérimentale de l’écoulement d’un jet liquide incliné .............. 20

Sujet de stage : Intégration d’un modèle de partitionnement du flux thermique pariétal

dans le code Flica5 ................................................................................................ 22

Sujet de stage : Simulation d’essais d’écoulements diphasiques dans un convergent-

divergent en conditions thermohydrauliques représentatives d’un réacteur nucléaire ... 24

Sujet de stage : Modélisation CFD d’un réacteur nucléaire complet de type VVER-1000 26

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

cylindre élancé ...................................................................................................... 28

Sujet de stage : Modélisation moyennée d’écoulements diphasiques en canal à partir de

simulations CFD : remontée d’échelle pour application aux réacteurs à plaques ........... 30

Sujet de stage : Intégration d’un modèle neuronal du tenseur de Reynolds dans le

logiciel de simulation en mécanique des fluides TRUST/TrioCFD ................................. 32

Sujet de stage : Etude numérique sur la modélisation d’un écoulement multi-phase dans

les Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC) .................................................. 35

Sujet de stage : Optimisation du schéma numérique du code open-source

thermohydraulique HPC TRUST par vectorisation numérique ..................................... 37

Sujet de stage : Simulations HPC d’écoulements diphasiques en présence de surfactant

............................................................................................................................ 39

Sujet de stage : Simulations HPC d’écoulements diphasiques dans des bains de corium

............................................................................................................................ 41


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

périodicité dans les simulations CFD ........................................................................ 43

Sujet de stage / Internship topic : Study of an acoustic/transport splitting scheme on

staggered grid for homogeneous two-phase flows models ......................................... 45

Sujet de stage : Etude de la méthode de Galerkine discontinue pour les équations de

Navier-Stokes ........................................................................................................ 46

Informations pratiques ...................................................................................................................... 48


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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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Sujets de stages 2022

Tous les stages proposés se dérouleront au centre CEA Paris-Saclay, site de Saclay,

91191 Gif-sur-Yvette

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

Le centre CEA Paris-Saclay fait partie de la Communauté d'Universités et

d'établissements « Université Paris-Saclay » qui représente environ 15% de la

recherche française.

Pour chaque stage, nous indiquons en particulier :

Démarrage : il est indiquée la date souhaitée de démarrage. Il est à noter qu’une enquête

administrative préalable est effectuée de manière systématique. Compte tenu de cette

enquête et du traitement du dossier par les services administratifs, il faut compter environ un

délai de 3 mois entre le dépôt complet du dossier de stage avant la date de démarrage pour

les étudiants français ou les étudiants de la CEE, et 4 mois pour les étudiants d’autres

nationalités.

Possibilité de poursuite en thèse : chaque année, le STMF accueille plusieurs nouveaux

doctorants. Il est fréquent et judicieux que la thèse soit précédée d’un stage. Ceci permet aux

étudiants de confirmer (ou non) leur attrait pour une poursuite en thèse. Attention toutefois :

l’acceptation du candidat au stage n’implique pas son acceptation pour la thèse.

Pour candidater, veuillez contacter les futurs encadrants ou personnes mentionnées pour chaque

proposition de stage.

Voir également les informations pratiques à la fin de ce document.

Vous

serez ici

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


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Sujet de stage / Internship topic : International benchmark activity

on the simulation of flow reversal experiments with the code CATHARE

Durée / Duration : 6 mois / 6 months

Démarrage / Beginning : Between February and April 2022

Lieu / Location : CEA-Saclay, site de Saclay

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

Futurs encadrants ou contacts / Supervisors or contacts:

Alberto GHIONE ([email protected])

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

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

Contexte / Context

The internship work will be conducted at the Department of Thermal-hydraulics and Fluid dynamics (STMF – Service de Thermohydraulique et de Mécanique des Fluides) within the Energy Directorate (DES - Direction des Énergies). The department develops and qualifies the simulation tools for the design and the safety analysis of the French nuclear power systems, such as the system thermal-hydraulic code CATHARE. These studies are performed within the framework of internal CEA projects or in collaboration with several industrial partners (e.g. EDF, Framatome and TechnicAtome) and international partners (e.g. Argonne National Laboratory).

Internship description

The proposed internship will be realized within a collaboration framework with Argonne National Laboratory (ANL), Illinois, USA. The activity concerns a comparative benchmark on the simulation of flow reversal experiments with thermal-hydraulic system codes (CATHARE and RELAP).

The flow reversal may occur during postulated accidental scenarios in nuclear research reactors cooled with a downward flow of water. During these scenarios, the coolant in the core may change direction from downward to upward due to the transition from forced to natural convection. The main goals of the activity are:

To acquire a better understanding of the flow reversal phenomenon;

To test and compare the capabilities of the codes against relevant experiments, in order to identify potential issues, share modeling best practices and suggest improvements of the simulation tools, if needed.

Within this framework, the intern will analyze the available experimental data and perform simulations using the system thermal-hydraulic code CATHARE. CATHARE is the reference code for the safety analysis of French nuclear reactors. It is based on a set of six conservation equations (mass, momentum and energy for the liquid and vapor phase) complemented by appropriate closure laws. In details, the candidate will:

mailto:[email protected]


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Perform a preliminary literature review on the topic and identify the available experimental databases;

Analyze the selected experiments in order to understand their physical behavior and to verify the coherence and exploitability of the experimental data;

Model them with CATHARE and analyze the simulation results;

Present and discuss his work during international technical meetings and write a final report.

Ideal applicant profile

The appliquant should have a good knowledge of fluid-dynamics/thermal-hydraulics, ideally applied to nuclear reactors. A basic knowledge of Linux, Excel and Python/Matlab is desired. A good knowledge of English is a must. French would be a plus.


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Sujet de stage : Couplage des échanges thermiques en proche paroi

dans un modèle de flux critique en transitoires rapides. Application aux

réacteurs expérimentaux.

Durée : 6 mois

Démarrage : Mars 2022

Lieu : CEA-Saclay, site de Saclay

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

Futurs encadrants ou contacts :

Raksmy Nop ([email protected])

Nicolas Dorville ([email protected])

Marie-Christine Duluc ([email protected])

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

Possibilité de poursuite en thèse : oui

Mots-clés : Flux Critique, Chauffage transitoire, convection forcée, sous-saturation, excursion exponentielle, RIA, BORAX.

Contexte Les réacteurs expérimentaux de type piscine sont utilisés pour des tests de matériaux sous irradiation

ou encore pour la production de radio-isotopes pour l‘industrie et la médecine. En cas d’insertion

accidentelle de réactivité (RIA) dans le cœur d‘un tel réacteur, la puissance peut augmenter de manière

exponentielle, avec un temps caractéristique de l‘ordre de la dizaine de millisecondes. Le système

paroi-fluide peut alors atteindre, si les contre-réactions neutroniques associées à la réponse

thermohydraulique ne suffisent pas, les conditions de la crise d‘ébullition, à même d‘engendrer une

fonte du combustible et par la suite une réaction chimique explosive. Il est donc crucial pour la sûreté

nucléaire de pouvoir comprendre et prédire la crise d‘ébullition en transitoire rapide dans des

conditions applicables à ce genre de réacteurs.

Bien que la crise d‘ébullition ait été largement étudiée en conditions de fonctionnement des réacteurs

à eau pressurisée en chauffage stationnaire (avec des mécanismes fondamentaux toujours mal

compris), ce n‘est pas le cas dans les conditions de fonctionnement des réacteurs expérimentaux, et

encore moins en transitoire rapide de chauffage. De ce fait, peu de corrélations, données

expérimentales ou encore de modèles existent pour décrire ce phénomène. Dernièrement, une thèse

[1] a été réalisée dans le but d‘améliorer la compréhension des mécanismes physiques entraînant la

crise d’ébullition dans ces conditions et en a en particulier proposé un modèle mécaniste original [2].

Référence :

[1] Raksmy Nop. Experimental investigation and modeling of the transient flow boiling crisis of water

at moderate pressure and high subcooling. Fluid mechanics [physics.class-ph]. Université Paris-Saclay,

2020. <lien>




http://www.theses.fr/2020UPAST046


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[2] R. Nop, M.-C. Duluc, N. Dorville, A. Kossolapov, F. Chavagnat, M. Bucci, An energy model for the

transient flow boiling crisis under highly subcooled conditions at atmospheric pressure, International

Journal of Thermal Sciences, Volume 168, 2021<lien>

Objectifs Le but de ce stage est d‘étudier, sous l‘angle du modèle proposé dans [1-2], le couplage thermique

entre l‘écoulement au centre du canal et la couche de fluide en proche paroi (appelée manteau

homogène dans le modèle). Cette étude vise à prendre en compte l‘échauffement du fluide au centre

du canal. Cet effet est indispensable pour étendre le modèle, préalablement développé dans le cadre

d’expériences conduites à petite échelle, à des dimensions applicables aux études de sûreté des

réacteurs. Une fois le couplage thermique implémenté, une étude comparative utilisant des résultats

existants puis une analyse physique seront réalisées. Pour cela, le programme de travail du stage

s’articulera comme suit :

Implémentation du couplage thermique dans le code Matlab existant.

Réalisation des calculs avec le nouveau couplage.

Comparaison avec les résultats sans couplage et analyse physique.

Ce stage est un travail préparatoire à une thèse de doctorat.

Environnement de travail

Le stage s‘effectuera au sein du Laboratoire de Modélisation et de Simulation en mécanique des Fluides (DES/ISAS/DM2S/STMF/LMSF) sur le site du CEA à Saclay.

Compétences requises ou souhaitées

Mécanique des fluides, transferts thermiques, thermodynamique, Matlab, Sens physique. Une expérience avec l‘environnement Unix serait un plus.

Profil recherché Étudiant.e en dernière année d‘école d'ingénieur ou master 2 en mécanique des fluides.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1290072921002076


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Sujet de stage : Prédiction des performances d’une pompe hélice avec

le modèle unidimensionnel du code CATHARE3

Durée : 6 mois

Démarrage : 02-03/2022

Lieu : CEA-Saclay, site de Saclay, 91191 Gif-sur-Yvette, Direction des EnergieS (DES)

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

Futurs encadrants ou contacts : Encadrant principal et contact : Valentin COTTAREL, ingénieur-chercheur au CEA Saclay, STMF/LMES, [email protected] Co-encadrante à distance : Laura MATTEO, ingénieur-chercheur (PhD) au CEA Cadarache, SESI/LCOS, [email protected]

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

Possibilité de poursuite en thèse : non

Mots-clés : Simulation numérique, Turbomachines, Thermodynamique, Mécanique des fluides, Physique des réacteurs.

Contexte Un modèle unidimensionnel (1D) de pompe rotodynamique a été développé au CEA entre 2015 et 2019 dans le cadre d’une thèse [1]. Ce modèle permet de prédire les performances d’une pompe en fonctionnement normal et dans des situations anormales (off-design, écoulements diphasiques), mais également de connecter la modélisation de la pompe à l’ensemble du circuit environnant si l’on souhaite mener des simulations à l’échelle du réacteur. La modélisation d’une pompe hélice proposée dans le cadre de ce stage s’inscrit dans une démarche d’extension du domaine de validation du modèle 1D existant. Aujourd’hui, ce modèle est validé sur des géométries centrifuges à hélico-centrifuges (basses et moyennes vitesses spécifiques), la gamme des hautes vitesses spécifiques restant à compléter. Le cas d’étude identifié pour pallier ce manque est celui de la pompe hélice (dit aussi « axiale ») de la NASA fonctionnant avec un fluide de travail métallique [2]. Il s’agira de confronter le modèle 1D existant à ce cas d’étude et si nécessaire de proposer des pistes d’amélioration pour les lois physiques utilisées. En particulier, le modèle de déviation du fluide en sortie de roue (partie mobile de la pompe) sera très probablement à généraliser, compte tenu du fait qu’aucune pompe de type hélice n’a été modélisée à ce jour avec le modèle 1D de CATHARE3. Ce travail d’extension du domaine de validation pourra par exemple être bénéfique aux études sur les Molten Salt Reactors (MSR, ou Réacteurs à Sels Fondus [3]), le type de pompe rencontré dans ces réacteurs étant semblable.

Objectifs Après avoir pris connaissance du code de calcul CATHARE3 et en particulier du modèle 1D de pompe, le premier objectif sera de créer le jeu de données de la pompe hélice de la NASA. Ce travail de modélisation consiste à récupérer les informations géométriques nécessaires (sections de passage, rayons, angles) ainsi que des données de validation (courbes caractéristiques) pour la pompe étudiée et à créer le jeu de données. On s’appuiera pour cela sur les travaux d’un stage réalisé en 2021 portant sur la même pompe. On s’attachera ensuite à calculer les performances de la pompe en fonctionnement normal. Les résultats obtenus seront comparés aux données expérimentales


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disponibles et notamment aux courbes de performance de la machine. Au vu des résultats obtenus, des pistes d’amélioration du modèle 1D de pompe pourront être proposées.


Ce stage est proposé au Commissariat à l’Energie Atomique et aux Energies Alternatives (CEA), centre de recherche français, et plus particulièrement au sein de la Direction des EnergieS (DES), au Département de Modélisation des Systèmes et Structures (DM2S). Le Laboratoire de Modélisation et simulation à l'Echelle Système (LMES), accueillant le stage, est en charge du développement et de la validation du code CATHARE [4].


Utilisation de codes de calcul (CATHARE3), Python, C++, environnement Linux, rédaction sous LaTeX

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

Références [1] L. Matteo, « Modélisation unidimensionnelle du comportement d’une pompe rotodynamique en

fonctionnement normal et accidentel », Thèse de doctorat, 2019.

[2] Cunnun, W. S., Reemsnyder, D. C. Cavitation damage and the effect of fluid temperature on the

performance of an axial-flow pump in liquid sodium. (October 1969).

[3] E. Merle-Lucotte, D. Heuer et al, Introduction of the Physics of Molten Salt Reactor, Materials

Issues for Generation IV Systems, NATO Science for Peace and Security Series B, Editions

Springer, 501-521 (2008)

[4] D. Bestion, “The physical closure laws in the CATHARE code”, NED vol 124, 1990.


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Sujet de stage : Analyse et simulation d’essais expérimentaux de

décharge de vapeur pour les modèles d’échange du logiciel CATHARE3

Durée : 6 mois

Démarrage : dès que possible en 2022


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


CHAZOTTES Arnaud, STMF/LATF (mail : [email protected])

SARGENTINI Lucia, STMF/LATF (mail : [email protected])



Mots-clés : Simulation et analyse d’essais expérimentaux, implémentation

Contexte Depuis plusieurs années, l’installation RIVA (RIsque VApeur) est exploitée au sein du

Laboratoire d'Instrumentation et d'Expérimentation en mécanique des Fluides et Thermohydraulique (LIEFT). Composée d’un générateur de vapeur (GV), d’une enceinte réceptrice représentant une enceinte de confinement et d’une tuyauterie de connexion reliant ces deux volumes, elle permet de produire des décharges de vapeur du GV vers le récepteur et, ainsi, de simuler la rupture de tuyauterie vapeur d’un circuit secondaire de réacteur nucléaire.

Lors de tels essais, la dynamique du jet, la structure de l’écoulement qui se développe dans le récepteur et les échanges thermiques en paroi jouent un rôle primordial dont l’étude est indispensable à la compréhension des phénomènes physiques se produisant dans l’installation.

Par ailleurs, ces essais qui servent à alimenter la base de validation de différents codes de calcul utilisés dans le Service de Thermohydraulique et de Mécanique des Fluides (STMF), contribuent, notamment, à l’amélioration du code à l’échelle système CATHARE.

Objectifs Suite aux évolutions du logiciel (CATHARE3), une modélisation plus « fine » de l’installation est

actuellement envisageable, sous réserve de disposer des données expérimentales adéquates. Le travail proposé lors de ce stage se focalisera sur cet aspect et consistera à :

comprendre et exploiter les données expérimentales produites sur l’installation RIVA en se concentrant sur la relation entre échange thermique en paroi et vitesse d’écoulement ;

comparer les données expérimentales et de simulation produites par le logiciel CATHARE3 afin d’évaluer les apports de la nouvelle modélisation ;

implémenter et évaluer de nouveaux modèles dans le logiciel CATHARE3


Le DM2S développe des outils de simulation pour la conception et l'évaluation de systèmes dans les

disciplines de base du nucléaire, i.e. thermohydraulique, thermomécanique et neutronique, toutes




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filières confondues. Il s'appuie pour cela sur des essais et des plateformes logicielles, développées en

interne ou en partenariat.

Il les met en œuvre dans le cadre d'études, notamment dans les domaines de la physique des

réacteurs, de la tenue mécanique et de l'intégrité des structures des installations nucléaires sous

sollicitations et de la conception de systèmes de nouvelle génération.

Au sein du DM2S, le Service de Thermohydraulique et de la Mécanique des Fluides (STMF - 115

personnes) :

- conçoit, développe et qualifie les logiciels de simulation de la thermohydraulique et de la mécanique

des fluides pour les réacteurs et installations nucléaires aux différentes échelles ;

- conçoit et réalise des programmes expérimentaux en support à la compréhension des phénomènes

et à la validation des modèles physiques implantés dans les logiciels ;

- réalise les études et expertises qui lui sont confiées pour des applications nucléaires et quelques-

unes hors nucléaire dans le domaine énergétique.

Le LIEFT conçoit, assemble et exploite des maquettes à différentes échelles, développe des techniques

d’instrumentation avancées et réalise des programmes d’essais expérimentaux afin de fournir des

données expérimentales nécessaires à la validation de modèles physique ou de codes de calculs

Le LATF réalise des études de thermohydraulique pour les réacteurs électrogènes, pour ceux de la

défense (PN et RES) et pour les réacteurs expérimentaux. Ces études sont réalisées avec l'aide de

différents codes, pour la plupart développés en interne au DM2S (Cathare, Flica, TrioMC, Cast3M...).


Le/la candidat/e doit avoir un goût prononcé pour la modélisation des systèmes thermohydrauliques complexes et la mécanique des fluides, qui sont des disciplines d’intérêt dans l’industrie actuelle. La connaissance du système d’exploitation Linux, des logiciels Python et Gnuplot sera un plus.


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Sujet de stage : Amélioration des modèles de ballonnement des gaines

combustible avec le code de calcul thermo-hydraulique CATHARE-3

Durée : 6 mois





Raphaël PREA ([email protected])

Maxime VERNASSIERE ([email protected])



Contexte Dans un réacteur nucléaire, la gaine du combustible représente la première barrière de confinement. Son rôle est d’empêcher les radionucléides formés dans le combustible de se répandre dans le circuit primaire. L’intégrité et le refroidissement de la gaine représentent donc un enjeu majeur de sûreté. Dans le cas de scénarii d’accidents, tel que la perte du réfrigérant primaire par une brèche (APRP), les gaines de combustible peuvent gonfler, induisant un blocage partiel ou total du débit d’eau circulant dans le cœur. Ce phénomène est appelé ballonnement du combustible. Ce blocage peut avoir un impact majeur sur la redistribution des débits dans le cœur, les transferts de chaleur dans la zone bloquée, et donc avoir une grande influence sur la température de la gaine. En cas de température de gaine trop élevée, la gaine pourrait être amenée à rompre voire à fondre, c’est pourquoi de tels accidents sont étudiés pour s’en prévenir. Afin de pouvoir étudier le phénomène de ballonnement des gaines, des expériences simples, sans combustible, ont été mises en place et instrumentées. De ces expériences ont été déduits des modèles de comportement des écoulements fluides en présence de gaines ballonnées. Ces modèles sont ensuite implémentés dans les codes de calcul scientifique pour simuler le transitoire désiré. Le CEA et ses partenaires industriels (Framatome, EDF et l’IRSN) utilisent le code de simulation thermo-hydraulique diphasique CATHARE-3 pour modéliser les écoulements fluides dans le cœur. Actuellement, pour simuler le comportement hydraulique autour des gaines ballonnées, le code CATHARE-3 est utilisé dans les études de sûreté menées par EdF et Framatome.

Objectifs Le CEA et ses partenaires souhaitent faire évoluer les modèles de ballonnement dans le code

CATHARE 3, l’objectif du stage est d’évaluer une nouvelle façon de prendre en compte la limitation du

débit au travers la zone ballonnée.

Pour ce faire, le stage s’orientera sur les axes suivants :

— Prise en main du code CATHARE-3 et de ses modèles de ballonnement et de la base

expérimentale associée ;

— Prise en main du nouveau modèle de limitation de débit au travers la zone ballonnée ;




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— Validation du nouveau modèle sur la base expérimentale et calage éventuel des coefficients

du nouveau modèle ;

— Comparaison avec les résultats obtenus avec l’ancien modèle ;

— Réalisation d’étude de sensibilité au maillage et à d’autres paramètres identifiés ;

— Rédaction du rapport de stage et éventuellement d’une note de validation associée au

nouveau modèle/


— Thermo-hydraulique diphasique, mécanique des fluides — Utilisation de codes de calcul scientifique


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Sujet de stage : Adaptation du module neutronique de cinétique

ponctuelle du code système CATHARE pour modéliser le comportement

d’un Réacteur à Sel Fondu

Durée : 6 mois

Démarrage : 1er trimestre 2022



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



Mots-clés : RSF, MSR, Neutronique, Thermohydraulique, Simulation numérique, CATHARE-3

Contexte

Un réacteur nucléaire de fission se constitue en général d’un cœur dans lequel se trouve le combustible. La chaleur générée dans le combustible par les réactions de fission est évacuée par un fluide caloporteur qui transfère la chaleur vers un circuit secondaire hors du cœur du réacteur. Dans la majorité des concepts, le combustible nucléaire (uranium ou plutonium) se trouve sous forme solide au sein du cœur (sous forme de pastilles dans des gaines).

Dans le concept de RSF (Réacteur à Sels Fondus) ou MSR (Molten Salt Reactor) en anglais, le combustible nucléaire est dissous dans un sel fondu : le combustible nucléaire est donc liquide. Ce sel combustible parcourt l’ensemble du « circuit combustible » : le sel va de la zone critique (en vert sur le schéma ci-dessous, où ont lieu les réactions de fissions et où le sel monte en température) aux échangeurs de chaleur (en orange, où la chaleur du sel combustible est prélevée), puis le sel refroidi retourne vers la zone critique pour refaire des réactions de fission et remonter en température. Le schéma de principe ci-dessous montre la circulation du sel combustible dans le réacteur.




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Schéma de principe d’un MSR

L’utilisation d’un combustible liquide présente des avantages potentiels considérables en termes de sûreté intrinsèque, de pilotabilité du niveau de puissance (compatible avec le développement des EnR électriques intermittentes), de gestion des déchets (en réduisant leur durée de vie), de fermeture du cycle du combustible (permettant la fermeture des mines), de compacité, etc.

Du fait de ces potentialités, les études sont menées dans quantité de pays à l’international. En France, le CEA, en tant que principal organisme en charge de l’avenir du nucléaire, s’intéresse à ce concept très prometteur, et développe pour cela des outils d’analyse numérique dédiés à ce type de réacteur. L’objectif du stage proposé est de participer au développement de ces outils numériques.

Le calcul précis de la distribution du flux neutronique au sein de la zone critique requiert la connaissance fine de la distribution de la température et des précurseurs de neutrons retardés au sein du sel combustible. En retour, ces distributions de température et de précurseurs dépendent de la distribution des réactions de fission (neutronique) au sein du sel combustible. Un MSR requiert donc un couplage neutronique/thermohydraulique pour l’évaluation du flux neutronique, que ce soit en régime permanent ou transitoire. Pour cela, l’approche la plus précise consiste en un couplage entre une thermohydraulique de type CFD et un code de neutronique très précis. Dans ce cadre, le CEA met actuellement au point un couplage neutronique/thermohydraulique entre le code neutronique APOLLO3 et le code de CFD TrioCFD. Cependant, la mise en œuvre, lors des études de conceptions, d’un tel couplage est très coûteuse en ressources de calcul. Ce couplage est de ce fait voué à être utilisé uniquement dans des situations très particulières et pour réaliser des calculs de référence. Le recours à un code beaucoup moins gourmand en temps et en ressources de calcul est donc nécessaire pour mener les études.

L’analyse des transitoires de sûreté dans les filières de réacteurs (REP, RNR-Na, etc.) s’effectue industriellement aujourd’hui à l’aide de « codes systèmes » qui résolvent des équations de neutronique et de thermohydraulique moyennées en temps et en espace sur de larges volumes : ils sont plus rapides. Les phénomènes intervenants à une échelle inférieure à cette échelle macroscopique de modélisation (ceux étudiés par la CFD et les codes de transport neutronique) sont modélisés par des relations de fermeture. Au CEA et en France, les codes CATHARE-2, et plus récemment CATHARE-3, sont les codes systèmes de référence pour les études de sûreté des réacteurs à l’échelle nationale.

Objectifs

Le stage proposé consiste à participer à la première mise en œuvre d’un calcul de type « système » utilisant un module neutronique de cinétique ponctuelle, avec le code CATHARE-3, pour un réacteur de type MSR.

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

- Une prise en main du code CATHARE-3 ;

- Une appropriation de l’expérience Aircraft Reactor Experiment (ARE) réalisée à ORNL dans

les années 50 ;

- Une appropriation du jeu de données CATHARE-3 de l’ARE réalisé en 2021 modélisant la

boucle cœur et les systèmes de refroidissement de l’ARE et ne simulant à ce jour que des

régimes permanents à puissance imposée ;


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- La modification de ce jeu de données afin d’utiliser le module de neutronique ponctuelle

de CATHARE-3 pour calculer la puissance du cœur, et une première comparaison avec les

résultats de l’expérience ;

- Une compréhension du modèle de neutronique ponctuelle actuel embarqué dans le code

CATHARE-3 ;

- Une compréhension des besoins liés au comportement neutronique spécifique des MSR ;

- Une recherche bibliographique des solutions envisagées pour d’autres codes système ;

- L’élaboration d’une solution implémentable dans le code CATHARE-3 ;

- L’implémentation de la solution dans le code (développement en C++) ;

- Une première vérification de la solution sur un cas analytique si possible ;

- Une première validation de la solution via la simulation d’un essai de pilotage de la

puissance dans l’ARE par action sur le débit du circuit de refroidissement.

Les calculs APOLLO3-TrioCFD réalisés en parallèle par le reste de l’équipe pourront servir de support à l’analyse, la compréhension et à la mise au point des calculs CATHARE-3.

Ce stage s’adresse à un étudiant motivé par la réalisation d’actions de R&D en relation avec un concept innovant de réacteur nucléaire.


Le stage sera effectué au sein du département DM2S de l’institut ISAS au CEA-Saclay. Plus précisément, le stagiaire sera rattaché au Service de Thermohydraulique et de Mécanique des Fluides (STMF) en collaboration étroite avec le SErvice des Réacteurs et des Mathématiques appliqués (SERMA). En effet, l’équipe MSR est transverse au STMF (pour la thermohydraulique) et au SERMA (pour la neutronique) et le stagiaire aura des interactions (réunions, discussions, travaux, résultats, etc.) avec l’ensemble des membres de l’équipe.


Utilisation et développement du code de calcul CATHARE-3 en langage C++ ; environnement LINUX.

Profil recherché

Formation Master 2, 3ème année d’école d’ingénieur, ou équivalent en neutronique, en mécanique des fluides ou en génie nucléaire.

Un goût pour l’innovation, les sujets amonts, les études transverses et les équipes pluridisciplinaires seront un plus.


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Sujet de stage : Etude expérimentale de l’écoulement d’un jet liquide

incliné

Durée : 6 mois



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


LEDIER Constantin, STMF/LIEFT (mail : [email protected])

SARGENTINI Lucia, STMF/LATF (mail : [email protected])

GHIONE Alberto, STMF/LATF (mail : [email protected])



Mots-clés : jet incliné, expérimentation, instrumentation

Contexte

Lors d’un accident de Perte de Réfrigérant Primaire dans un réacteur à eau pressurisé, le cœur peut se vider de l’eau de refroidissement et la température du combustible nucléaire peut augmenter. Ces deux phénomènes sont dangereux pour la sécurité du réacteur. Afin de continuer à réfrigérer le cœur, de l’eau froide est injectée via un tuyau, dit injection de sécurité (IS), dans la branche froide du réacteur. L’eau injectée peut rentrer en contact direct avec de la vapeur et de l’eau plus chaude. La vapeur condense alors et ce liquide atteint le cœur. Estimer la condensation à l’IS est donc fondamental pour connaitre la température du liquide qui participe au refroidissement.

La forme du jet d’eau déversée dans la branche et l’écoulement dans le tuyau d’injection ont un fort impact sur la quantité de fluide condensé. De plus, l’IS a des caractéristiques qui peuvent différer selon le type de réacteur : par exemple, elle peut être inclinée par rapport à la branche ou être horizontale. L’écoulement peut donc être stratifié (une phase liquide et une phase vapeur) ou alors avoir une section pleine de liquide (une seule phase liquide). Les conditions d’injection peuvent varier en température, débit et pression.

Dans la littérature scientifique, un nombre limité d’expériences ont été réalisées pour évaluer l’impact de l’écoulement dans le tuyau d’injection sur la condensation dans la branche et des données expérimentales complémentaires sont nécessaires.

Objectifs

Le travail consiste à exploiter une maquette expérimentale composée d’un tuyau inclinable et d’une piscine. Il s’agit d’étudier et comprendre l’écoulement eau-air dans le tuyau pour des conditions variables de débit et pression. Différents moyens de mesures sont envisagés : débitmètre, camera rapide, PIV…

L’objectif du stage consiste donc à exploiter la base de données expérimentales acquise, l’analyser et l’interpréter. Il s’agira plus précisément :





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de comprendre les essais qui ont été réalisés, définir leur(s) domaine(s) de validation,

visualiser les grandeurs d’intérêt, comparer les différentes expériences entre elles ;

d’évaluer les différents modèles disponibles dans la littérature pour la trajectoire du jet ;

de proposer éventuellement un nouveau modèle de stratification pour les tuyaux inclinés et

de surface du jet.

Environnement de travail Le DM2S développe des outils de simulation pour la conception et l'évaluation de systèmes dans les disciplines de base du nucléaire, i.e. thermohydraulique, thermomécanique et neutronique, toutes filières confondues. Il s'appuie pour cela sur des essais et des plateformes logicielles, développées en interne ou en partenariat. Il les met en œuvre dans le cadre d'études, notamment dans les domaines de la physique des réacteurs, de la tenue mécanique et de l'intégrité des structures des installations nucléaires sous sollicitations et de la conception de systèmes de nouvelle génération. Au sein du DM2S, le Service de Thermohydraulique et de la Mécanique des Fluides (STMF - 115 personnes) :

conçoit, développe et qualifie les logiciels de simulation de la thermohydraulique et de la mécanique des fluides pour les réacteurs et installations nucléaires aux différentes échelles ;

conçoit et réalise des programmes expérimentaux en support à la compréhension des phénomènes et à la validation des modèles physiques implantés dans les logiciels ;

réalise les études et expertises qui lui sont confiées pour des applications nucléaires et quelques- unes hors nucléaire dans le domaine énergétique.

Le LIEFT conçoit, assemble et exploite des maquettes à différentes échelles, développe des techniques d’instrumentation avancées et réalise des programmes d’essais expérimentaux afin de fournir des données expérimentales nécessaires à la validation de modèles physiques ou de codes de calcul.

Le LATF réalise des études de thermohydraulique pour les réacteurs électrogènes, pour ceux de la

défense (PN et RES) et pour les réacteurs expérimentaux. Ces études sont réalisées avec l'aide de

différents codes, pour la plupart développés en interne au DM2S (Cathare, Flica, TrioMC, Cast3M...).

Compétences requises ou souhaitées Le candidat devrait avoir idéalement un goût prononcé pour la réalisation et l’exploitation de maquettes expérimentales et pour la mécanique des fluides. Une bonne connaissance du système d’exploitation Windows/Linux, d’Excel, Python/Matlab sera un

plus.


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Sujet de stage : Intégration d’un modèle de partitionnement du flux

thermique pariétal dans le code Flica5

Durée : 6 mois

Démarrage : avril 2022



Futurs encadrants ou contacts : Gauer Jean-Eudes, SMTF/LATF (mail : [email protected])



Mots-clés : Transferts thermiques, mécanique des fluides diphasiques, partitionnement du flux pariétal

Contexte

Au sein du département de modélisation des systèmes et des structures (DM2S) au CEA Saclay, le Service de Thermohydraulique et de la Mécanique des Fluides (STMF) :



réalise les études et expertises qui lui sont confiées pour des applications nucléaires et

quelques-unes hors nucléaire dans le domaine énergétique.

L’objectif principal de ces logiciels de simulations est de déterminer la marge à la crise d’ébullition pour différents types de scénarios accidentels en fonction des paramètres de conception du cœur (point de fonctionnement, dimensions géométriques, etc).

Le STMF a en charge la mise au point et la validation de codes de calcul thermohydraulique. Parmi ces codes, Flica5 permet la simulation d’écoulements mono et diphasiques au sein de cœurs de réacteurs nucléaires. Ce code repose sur un modèle du fluide à quatre équations moyennées en temps et en espace. L’encombrement du milieu est représenté par l’application d’une porosité au fluide. Afin de fermer le système des inconnues, de nombreuses corrélations sont employées et validées grâce à différentes campagnes expérimentales.

L’une de ces corrélations permet de modéliser le partitionnement du flux thermique en paroi en déterminant la fraction du flux employée pour chauffer la phase liquide et, en cas d’écoulement diphasique, la fraction employée pour provoquer l’ébullition. Cette corrélation a donc un impact élevé sur la quantité de vapeur générée dans l’écoulement.

Actuellement, le modèle de partitionnement du flux thermique pariétal employé dans Flica5 est un modèle simplifié. Néanmoins, depuis les travaux de Griffith (1958) puis Bowring (1962) sur le sujet, plusieurs nouveaux modèles permettant de mieux capter les différents phénomènes physiques en jeu ont été proposés. Warrier (2006) et Baglietto (2018) détaillent ces différents modèles.



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Objectifs

L’objectif de ce stage est d’intégrer la corrélation empirique de Lahey (1978) assez répandue dans les codes CFD et la corrélation mécanistique de Gilman (2017) dans le code Flica5 afin de vérifier leurs capacités à déterminer la quantité de vapeur générée dans un canal rectangulaire avec un écoulement diphasique.

Le travail proposé se déclinera en plusieurs phases :

1) Intégration des corrélations au code Flica5 ; 2) Mise en données de campagnes expérimentales afin de mener une étude préliminaire sur le

comportement des deux corrélations (précision de la solution obtenue avec Flica5 par rapport aux essais, robustesse des calculs avec Flica5, sensibilité aux paramètres principaux) ;

3) Analyse de sensibilité et optimisation des paramètres des corrélations sur la base expérimentale de validation du code Flica5 (essai en taux de vide);

4) Essai sur un cas réel et conclusion sur le modèle le plus pertinent.


Le stage se déroulera au centre CEA de Saclay au sein du LATF


Autonomie, curiosité, force de proposition, sens physique

Profil recherché Etudiant/étudiante en dernière année d’école d'ingénieur ou en master 2 en mécanique des fluides

Spécialisé dans l’un de ces trois domaines : en mécanique des fluides, transferts thermiques, écoulements monophasiques/diphasiques.

Une certaine aisance à la simulation numérique est aussi demandée.


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Sujet de stage : Simulation d’essais d’écoulements diphasiques dans

un convergent-divergent en conditions thermohydrauliques

représentatives d’un réacteur nucléaire

Durée : 6 mois

Démarrage : courant 2022




Willy De Almeida-Le Coq, STMF/LATF ([email protected])

Yannick Gorsse, SMTF/LMEC ([email protected])

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


Mots-clés : Modélisation thermohydraulique, Mécanique des fluides

Description de l’unité Au sein du département de modélisation des systèmes et des structures (DM2S) au CEA Saclay, le Service de Thermohydraulique et de la Mécanique des Fluides (STMF) :



réalise les études et expertises qui lui sont confiées pour des applications nucléaires et quelques-unes hors nucléaire dans le domaine énergétique.

Objectifs L’objectif du stage est de modéliser et simuler des expériences d’écoulement stationnaires d’un fluide dans un convergent-divergent afin d’étudier le phénomène physique d’évaporation rapide, aussi appelé « flashing ». Ce phénomène se rencontre lors de scénarii accidentels de dépressurisation et est simulé en utilisant un code de calcul composant poreux développé par le CEA (FLICA5).

Afin d’améliorer la simulation de ce phénomène, une étude bibliographique menée en 2020 a permis d’identifier des modèles d’échange de masse entre phase disponibles dans la littérature scientifique ainsi qu’une banque de données expérimentales pertinentes. Ce stage propose de modéliser certaines de ces expériences et de s’appuyer sur des comparaisons calcul-mesure pour identifier un modèle adapté à notre domaine d’utilisation et de déterminer ses capacités prédictives. Ces modèles d’échange de masse entre phases ont été validés sur un domaine qui ne correspond pas nécessairement au domaine d’utilisation visé. Pour cette raison, une étude de sensibilité sur certains paramètres pourra être menée pour potentiellement adapter leur domaine d’utilisation.



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Après une prise en main du code de calcul FLICA5 et des données bibliographiques disponibles, le travail à réaliser par le/la stagiaire consistera premièrement à définir une modélisation représentative des essais. Puis, il s’agira d’implémenter de nouveaux modèles de flashing dans le code de calcul. Ensuite, il faudra simuler les essais, et comparer les résultats de calcul avec les mesures disponibles. Une analyse de sensibilité sera réalisée et une optimisation des paramètres du modèle retenu sera effectuée.


Qualités requises : Intérêt pour la simulation, sens physique et regard critique

Compétences : simulation, thermohydraulique, mécanique des fluides.

Profil recherché

Dernière année d’école d’ingénieurs / master en mécanique des fluides


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Sujet de stage : Modélisation CFD d’un réacteur nucléaire complet de

type VVER-1000

Durée : 6 mois

Démarrage : Mars 2022




Raksmy Nop, ([email protected])

Ulrich Bieder, ([email protected])

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


Mots-clés : Mécanique des fluides, CFD, turbulence, HPC, réacteur nucléaire

Contexte La mécanique des fluides numérique, ou CFD (Computational Fluide Dynamics), est aujourd'hui largement utilisée dans la conception des nouveaux réacteurs nucléaires ainsi que dans les analyses de sûreté des réacteurs existants. Avec le développement du HPC (High Performance Computing), il est possible de simuler des domaines géométriques de plus en plus larges. Ainsi on est capable de simuler l’ensemble d’un réacteur nucléaire sous réserves de quelques hypothèses simplificatrices et choix de calculs, comme par exemple en modélisant un domaine complexe en utilisant une approche de type poreux ou sous-canal.

Dans le cadre d’un projet européen visant à améliorer les codes de calcul et méthodes en CFD impliqués dans les études de sûreté nucléaire, un groupe d’organismes (industriels, instituts de recherche…) vont modéliser un réacteur complet de type VVER-1000. Du fait de son expérience reconnue dans la modélisation de ce type de réacteur [1], le CEA va réaliser un calcul de référence qui permettra de comparer les résultats des autres codes.

Objectifs L'objectif de ce stage est de contribuer à ce calcul de référence. À partir du modèle CAO fourni par nos partenaires, le but est de développer un modèle complet de la thermohydraulique complexe du réacteur nucléaire incluant l'écoulement dans l'espace annulaire, le plénum inférieur, le cœur et un plénum supérieur simplifié (cf. figure). La majorité du travail sera consacrée à la finalisation du modèle cœur et au couplage de ce modèle aux écoulements dans les plénums inférieur et supérieur. L'originalité du travail réside dans le couplage dynamique entre :

le cœur qui sera modélisé par des sous-canaux fluides formés par les assemblages combustibles,

les plénums inférieur et supérieur qui seront modélisés avec une approche de type RANS.



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La modélisation sera faite avec TrioCFD [2]. La taille du maillage prévu demandera l'utilisation des ressources HPC des supercalculateurs du TGCC [3].

Figure. Schéma représentatif d’un réacteur de type VVER-1000

Références :

[1] ftp://ftp.cea.fr/pub/Trio_U/TRUST/documentation/Publications/2016-NUTHOS_Feng.pdf

[2] https://triocfd.cea.fr/

[3] http://www-hpc.cea.fr/fr/complexe/tgcc-curie.htm


Le stage se déroulera au centre CEA de Saclay au sein du Laboratoire du Modélisation et de Simulation en mécanique des Fluides.


Mécanique des Fluides, Simulation Numérique. Une connaissance en ingénierie électronucléaire ainsi qu’une expérience avec l’environnement Unix serait souhaitable.

Profil recherché Étudiant.e en dernière année d’école d’ingénieur ou en Master 2 en mécanique des fluides ou en simulation numérique.

https://triocfd.cea.fr/


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

écoulement axial et un cylindre élancé

Durée : 6 mois





Maria Adela Puscas, LMSF ([email protected])

Romain Lagrange, SEMT/DYN ([email protected])

Diplôme préparé : Bac+4/5 – Master / Diplôme d’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 immergée dans le calcul de son interaction avec le fluide en écoulement. Ces simulations devront également permettre d'accéder aux structures de l'écoulement (champs de vitesse, pression, vorticité) afin d'établir une corrélation entre les caractéristiques locales de l'écoulement et les variations du chargement mécanique s’exerçant sur le cylindre. Les résultats numériques seront confrontés aux modèles théoriques de la littérature et permettront d’alimenter les pistes de réflexions sur les instabilités en écoulement axial.



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Figure : Représentation dans le plan complexe de la fréquence et de l’amortissement des modes d'instabilité en écoulement axial


Ce stage s'inscrit au sein d'une collaboration entre le laboratoire d’étude de DYNnamique (DYN) et le Laboratoire de Modélisation et Simulation en mécanique des Fluides (LMSF).

Moyens mis en œuvre

Calculs CFD, analyse de stabilité, étude paramétrique

Compétences requises

Mécanique des Fluides


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Sujet de stage : Modélisation moyennée d’écoulements diphasiques en

canal à partir de simulations CFD : remontée d’échelle pour application

aux réacteurs à plaques

Durée : 6 mois





Guillaume Bois ([email protected], tél. : 01 69 08 69 86)

Diplôme préparé : Bac+5 – Master / Diplôme d’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 des simulations locales (instantanées ou moyennées statistiquement) sont utilisées pour construire des modèles homogénéisés spatialement. Ces travaux s’appuient sur un modèle moyenné de type RANS, implémenté dans le code quadripartite Neptune_CFD (CEA, EDF, Framatome, IRSN), pour conduire des simulations CFD (simulation numérique d’écoulements turbulents monophasiques ou diphasiques). Celles-ci restent chères et elles ne sont pas employées directement pour les études de sûreté des réacteurs nucléaires. Pour réaliser un grand nombre de simulations paramétriques, des codes de thermohydraulique moyennée (homogénéisation spatiale), dédiés aux applications (par ex. le code cœur FLICA), sont utilisés. Ils permettent de simuler le comportement thermohydraulique d'un cœur de réacteur à l’échelle d’un « composant » ou d’un « sous-canal » au moyen de modèles qui prédisent l'évolution de grandeurs physiques moyennées en espace et en temps. Une partie de ces modèles est validée par des données expérimentales, mais pour ceux qui impliquent des mécanismes très multi-dimensionnels, turbulents, et parfois diphasiques, les données disponibles pour leur qualification sont peu nombreuses et leur interprétation est difficile.

Or, une formulation explicite de ces modèles a été obtenue théoriquement par une analyse dite de remontée d’échelle (processus de moyenne). La solution locale obtenue à l’échelle CFD peut alors être considérée comme référence. Des travaux s’appuyant sur des études CFD, sur de l’analyse théorique et sur des post-traitements peuvent être engagés. Ils ont permis de formuler et calibrer des modèles de diffusion et mélange turbulent, à la fois dans le cadre monophasique et diphasique. Ces progrès sont importants pour assoir la validité de modèles manquant de données expérimentales, afin de satisfaire les exigences croissantes de sûreté et de performances des codes de calculs.

Objectifs L’objectif du stage proposé est de poursuivre cette approche pour évaluer les modèles

macroscopiques à partir de simulations CFD. Le candidat devra compléter les configurations étudiées



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jusqu’à présent par de nouvelles simulations CFD diphasiques. Il s’agit de simulations HPC (Calcul Haute

Performance) sur cluster avec le code Neptune_CFD. A partir de considérations théoriques et de ces

données CFD de référence, il devra accéder aux valeurs des termes à modéliser pour l’écoulement

étudié (à l’aide de post-traitements déjà développés). La comparaison de ces données aux modèles

classiques utilisés à l’échelle poreuse permettra d’évaluer la modélisation et de juger la calibration de

certains paramètres. C’est ce que l’on appelle une démarche multi-échelle puisque des données

locales de CFD sont utilisées pour renseigner des modèles à une échelle moyennée en espace (dite «

poreuse »).

Cette démarche a permis de calibrer avec succès le modèle de mélange turbulent de l’énergie dans le

cadre des écoulements monophasiques, et de montrer les limitations du modèle moyenné diphasique

existant. Le candidat devra analyser physiquement les écoulements prédits et s’appuyer sur la

littérature pour modéliser les instabilités observées et le mélange de la vapeur en fonction des

conditions globales de l’écoulement.

Description du déroulement du stage :

1. Simulations HPC diphasiques.

2. Analyse physique des résultats, construction des termes macroscopiques.

3. Evaluation des modèles existants, proposition de nouveaux modèles.

Compétences requises

Compétences : Mécanique des fluides, simulation numérique, modélisation, thermohydraulique.

Qualités requises : Intérêt pour la simulation numérique, esprit d’analyse et de synthèse, regard critique.

La nationalité doit être compatible avec l’habilitation requise.

Profil recherché Étudiant.e en dernière année d’école d’ingénieur ou en Master 2


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Sujet de stage : Intégration d’un modèle neuronal du tenseur de

Reynolds dans le logiciel de simulation en mécanique des fluides

TRUST/TrioCFD

Durée : 6 mois

Démarrage : début 2022, voire avant si possible




Pierre-Emmanuel Angeli (LMSF) 01 69 08 47 21 [email protected]

Elie Saikali (LGLS) 01 69 08 82 79 [email protected]

Guillaume Damblin (LGLS) 01 69 08 39 18 [email protected]



Contexte En simulation numérique de la turbulence, les modèles RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes)

permettent de résoudre les grandeurs moyennes des écoulements pour un coût de calcul très inférieur

à la résolution « exacte » par simulation numérique directe ou DNS (voir figure ci-dessous). Ils exigent

cependant un important effort de modélisation. La modélisation du tenseur de Reynolds qui intervient

en RANS est traditionnellement faite soit par une fermeture linéaire simpliste, soit par des fermetures

non linéaires plus prédictives. Une voie récente et en plein essor est de faire apprendre ce type de

modèle par des réseaux de neurones, afin de gagner en universalité et en précision. Il s’agit pour cela

d’utiliser des solutions de référence obtenues par DNS et de déployer des architectures neuronales

adaptées. Cette démarche a été initialement mise en oeuvre par Ling et al. [2] qui ont proposé une

architecture de réseau basée sur le modèle de Pope [1], dont la force est de respecter les invariances

des équations de Navier-Stokes.

Figure. En haut : champ de vitesse instantanée obtenu par DNS dans un canal avec obstacle. En bas :

champ de vitesse moyennée temporellement tel que le donnerait un modèle RANS.

Depuis trois ans, un fort dynamisme a été initié au CEA autour de cette activité alliant CFD et

apprentissage machine dans l’unité d’accueil du stage, le Service de Thermohydraulique et de





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Mécanique des Fluides (STMF) : des travaux conséquent ont conduit à l’apprentissage de modèles

neuronaux du tenseur de Reynolds à l’aide de TensorFlow, une des bibliothèques Python en Machine

Learning, utilisant l’architecture neuronale de [2], et à leur intégration dans le code TrioCFD [6].

Objectifs Ce stage est proposé dans la continuité de ces travaux et vise à résoudre le problème numérique de

l’intégration du modèle neuronal dans le code de calcul. En effet, la manière classique sous une forme

explicite conduit à des simulations instables et empêche la validation complète. Ce problème est

désormais connu et documenté [3, 4, 5]. Parmi les stratégies proposées dans la littérature pour y

remédier, certains auteurs proposent de prendre en compte une partie du tenseur de Reynolds sous

forme implicite et l’autre sous forme explicite [3]. Ils parviennent ainsi à des simulations stables et

convergentes. L’objectif du stage est donc d’intégrer ces stratégies dans le code de calcul

TRUST/TrioCFD développé au CEA (TRUST étant le noyau et TrioCFD l’application basée sur ce noyau

servant à réaliser les simulations numériques de la turbulence). Ce travail impliquera notamment la

réécriture partielle de l’opérateur de diffusion. Le langage de programmation de TRUST/TrioCFD est le

C++.

Le stagiaire travaillera en étroite collaboration avec une doctorante ayant débuté sa thèse en octobre

2021, et sous l’encadrement d’une équipe spécialisée en CFD, méthodes numériques et apprentissage

machine au sein de deux laboratoires, le LMSF (Laboratoire de Modélisation et de Simulation en

Mécanique des Fluides) et le LGLS (Laboratoire de Génie Logiciel et de Simulation). Le stage débutera

par une étude bibliographique succincte (2 ou 3 articles de base à bien comprendre) et par la prise en

main du logiciel de simulation employé, à savoir TRUST/TrioCFD.

Ce sujet sera l’occasion pour le candidat de rejoindre une équipe dynamique sur un sujet prometteur

s’inscrivant dans une thématique en pleine effervescence dans la communauté des modélisateurs de

la turbulence.

Références [1] S.B. Pope, A more general effective-viscosity hypothesis, J. Fluid Mech., vol. 72, 1975.

[2] J. Ling, A. Kurzawski, J. Templeton, Reynolds averaged turbulence modelling using deep neural

networks with embedded invariance, J. Fluid Mech., vol. 807, 2016.

[3] W. Liu, J. Fang, S. Rolfo, C. Moulinec, D.R. Emerson, An iterative machine-learning framework for

RANS turbulence modeling, Int. J. Heat Fluid Flow, vol. 90, 2021.

[4] J.-L. Wu, H. Xiao, E. Paterson, Physics-informed machine learning approach for augmenting

turbulence models: A comprehensive framework, Phys. Fluids, vol. 6, 2018.

[5] J. Wu, H. Xiao, R. Sun, Q. Wang, Reynolds-averaged Navier-Stokes equations with explicit data-

driven Reynolds stress closure can be ill-conditioned, J. Fluid Mech., vol. 869, 2019.

[6] Site internet du code TrioCFD (en cours d’évolution) : http://triocfd.cea.fr

Profil recherché

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

De solides compétences en C++ et méthodes numériques.

Des connaissances en simulation numérique en mécanique des fluides (CFD).

La connaissance de Linux serait un plus.

http://triocfd.cea.fr/


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Sujet de stage : Etude numérique sur la modélisation d’un écoulement

multi-phase dans les Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC)

Durée : 6 mois

Démarrage : mars 2022


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


Elie SAIKALI ([email protected]), Adrien BRUNETON ([email protected])



Contexte Les piles à combustibles PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) permettent la conversion de

l’hydrogène en électricité. L'intérêt de ces piles est qu'elles peuvent être embarquées dans des

véhicules (voiture bus, camion, train…) pour alimenter en électricité des moteurs électriques en

complément ou en substitution des batteries pour augmenter l'autonomie et permettre des recharges

rapides en hydrogène. Cependant leur coût élevé et leur durabilité encore insuffisante nécessite des

travaux de recherche importants pour améliorer leurs performances et réduire les mécanismes de

vieillissement responsables de leur dégradation. Pour atteindre ces objectifs il est indispensable de

parfaitement comprendre les différents mécanismes physiques, chimiques, électrochimiques qui se

produisent dans les piles. Deux approches complémentaires sont utilisées : l'expérimentation et la

simulation. Ce stage se situe dans l'approche modélisation/simulation.

Au CEA, la simulation numérique des PEMFC à l'échelle complète et/ou microscopique vise à fournir

des résultats numériques sans compromis ni sur la géométrie complexe de cette technologie ni sur

l'exactitude physique des phénomènes complexes sur lesquels elles reposent. La structure de la pile

(voir fig 1) comprend deux séries de canaux de gaz distincts utilisés pour alimenter la couche active

avec les deux réactifs impliqués dans le mécanisme de recombinaison : l'oxygène (O2) de l'air d'un côté

et l'hydrogène (H2) d'un réservoir de l'autre, tous deux circulant en régime non turbulent (nombre de

Reynolds jusqu'à 300-400). Ces deux canaux sont aussi la voie principale de sortie de l’eau (vapeur et

potentiellement liquide) produit de la réaction électrochimique qui fournit l'électricité. Suivant le

régime de fonctionnement et d’autres paramètres locaux (température, fraction molaire de vapeur,

propriétés de surface, etc.), l’eau peut se condenser dans le canal et former soit un film à la frontière

avec le milieu poreux, soit à l’extrême un bouchon liquide, dégradant ainsi le fonctionnement de la

pile. Il est donc clair qu'une simulation multi-phase précise des différentes espèces et phases (H2, O2,

eau) circulant dans les canaux est nécessaire.




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Fig 1. Gauche : Schéma d’une pile à combustible (canaux en jaune), droite : maillage des canaux.

Objectifs Ce travail de stage servira d'étude préliminaire avant une thèse qui visera la mise en œuvre et la

validation d'un modèle multi-phase permettant de réaliser une simulation couplée entre les

différentes régions de la pile à l'échelle du système complet (canaux gaz, canaux de refroidissement,

membrane, …). Le but de ce stage est donc de faire le point sur l'ensemble de l'état de l'art et des

travaux théoriques/numériques réalisés jusqu'à présent sur la modélisation multiphasique des PEMFC

[1,2,3]. Une fois que cette étude de la littérature sera réalisée, le deuxième but du stage concerne la

mise en place d'un modèle multi-phase simplifié dans TRUST (plateforme open-source HPC

thermohydraulique, développée au sein du CEA/DES). Dans ce travail, seuls les canaux gaz seront

considérés. L'objectif de cette partie est de tester l'efficacité/précision des différentes approches

rapportées dans la littérature (modèles homogènes, 6 équations ...) où les résultats obtenus avec un

autre solveur seront utilisés pour comparaison. Ce travail sera basé sur une nouvelle architecture

introduite récemment dans TRUST qui permet de généraliser la résolution des écoulements à N-phases

avec 3N équations.

Bibliographie [1] Zhang et al. "A comprehensive three-dimensional model coupling channel multi-phase flow and

electrochemical reactions in proton exchange membrane fuel cell", Advances in Applied Energy, 2021.

[2] Zhang et al. "A 3D model of PEMFC considering detailed multiphase flow and anisotropic transport

properties", International Journal of Heat and Mass Transfer, 2017.

[3] Kone et al. "Three-dimensional multiphase flow computational fluid dynamics models for proton

exchange membrane fuel cell: A theoretical development", The Journal of Computational Multiphase

Flows, 2017.


Le stage se déroulera dans les locaux du DES/ISAS/DM2S/STMF/LGLS au CEA Saclay.

Compétences

- bonne maîtrise du C++ et des outils informatiques (Linux, Git, ...)

- compétences en physique et en CFD, idéalement en écoulements diphasiques


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Sujet de stage : Optimisation du schéma numérique du code open-

source thermohydraulique HPC TRUST par vectorisation numérique

Durée : 6 mois




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



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

autres la résolution des équations de Navier-Stokes incompressibles. Dans le code le parallélisme

repose pour l'instant exclusivement sur les mécanismes MPI (paradigme SPMD), permettant des

simulations HPC montant jusqu'à plus de 50 000 processeurs, pour des maillages pouvant atteindre

jusqu'à 2 milliards d'éléments.

Depuis plusieurs années, la loi de Moore sur la progression de la performance des processeurs est mise

en défaut, et les gains actuels des CPUs ne se font notamment plus sur la fréquence d'horloge, mais

principalement sur le parallélisme matériel implémenté dans le silicium : chaque socket bénéficie de

plus de coeurs de calculs, et ces coeurs sont optimisés pour des instructions vectorisées. Une telle

instruction permet d'effectuer les opérations arithmétiques de base de manière groupée. Ainsi, avec

les bonnes instructions, le processeur peut par exemple effectuer la multiplication de 64 flottants dans

plus ou moins le même nombre de cycles que ce qui était requis pour une unique multiplication

scalaire.

TRUST n'utilise pour l'instant que très peu ces mécanismes, notamment pour des raisons structurelles.

En effet, pour tous les maillages supportés par la plateforme, des calculs d'indirection d'indices sont

fait à un niveau relativement bas, et cela empêche le traitement linéaire et contigu des données. Une

des stratégies qui pourra être envisagée est la mise en place d'un mécanisme de "pre-fetching", par

lequel les données sont recopiées dans une structure contiguë, traitées de manière vectorielle, et

ensuite re-dispatchées dans leur emplacement d'origine.

Objectifs Le but de ce stage est donc:

— de consolider la mise en place d'une maquette représentative des éléments clefs du code en

terme de performance et de fonctionnalités ("mini-TRUST") ;

— d'étudier dans un premier temps le gain de performance sur un opérateur simple de

diffusion ;



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— d'étendre le cas échéant le travail aux autres opérateurs et/ou de revoir l'architecture du

code à un plus haut niveau (seulement sur "mini-TRUST") pour permettre une mise en place

plus aisée de la vectorisation.

De nombreux cas d'applications concrets sur des calculs CFD serviront d'illustration à la démarche et

permettront par ailleurs au stagiaire d'en apprendre plus sur ce domaine, notamment sur la

modélisation numérique de la mécanique des fluides.


Le stage se déroulera dans les locaux du DES/ISAS/DM2S/STMF/LGLS au CEA Saclay.

Compétences

- bonne maîtrise du C++, avec des connaissances de base sur le parallélisme (idéalement la

vectorisation),

- scripting Python, shell et une aisance avec l'environnement Linux en général,

- des connaissances sur la gestion de version GIT seront appréciées.


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Sujet de stage : Simulations HPC d’écoulements diphasiques en

présence de surfactant

Durée : 6 mois





Envoyer un CV détaillé à :

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

Werner VERDIER CEA-Saclay, DES/ISAS/DM2S/STMF Bât 451 p.61B [email protected]



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

Contexte

La méthode de Boltzmann sur réseaux (Lattice Boltzmann Method – LBM) [1] est une méthode

numérique qui permet de simuler des problèmes physiques modélisés par des équations aux dérivées

partielles telles que celles impliquées dans la croissance des cristaux, les équations fractionnaires et

les écoulements de fluide. La base de la méthode consiste à réaliser une étape de collision suivie d’une

étape de déplacement d’une fonction de distribution sur un maillage cartésien régulier. La méthode a

été mise en œuvre dans un code de calcul développé au CEA et écrit en C++ : LBM_saclay [2]. Ce

dernier est dédié à la simulation d’écoulements diphasiques avec ou sans changement de phase

liquide-gaz et exécutable sur différentes architectures matérielles (multi-CPUs et multi-GPUs) [3]. Le

sujet de stage vise à enrichir la base de cas tests de LBM_saclay en étudiant une nouvelle application

physique impliquant des écoulements diphasiques.

Objectifs Le sujet du stage consiste à mettre en œuvre des simulations HPC avec LBM_saclay de la

coalescence de deux phases liquides en présence ou non d’un surfactant. Le modèle mathématique

est basé sur les équations de Navier-Stokes incompressibles, couplées à l’équation de Allen-Cahn pour

le suivi de l’interface entre les deux phases et à une équation de type transport pour le surfactant. Le

travail se concentrera dans un premier temps sur le modèle binaire de suivi d’interface en présence

de surfactant. Dans LBM_saclay il s’agira d’ajouter un flux dans l’équation du transport [4] pour en




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tenir compte. On réalisera ensuite plusieurs simulations comparatives d’écoulements diphasiques avec

et sans présence de surfactant. Des comparaisons des temps de calcul sur les différents clusters de

calculs accessibles au CEA seront effectuées entre les plateformes GPUs et CPUs. Selon l’état

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

modèle ternaire ou 2) test d’un opérateur de collision alternatif.

Environnement de travail Le stage s’effectuera au sein du laboratoire LMSF du Service de Thermo-Hydraulique et Mécanique des

Fluides (STMF) du CEA–Saclay qui regroupe des compétences sur les modèles à champ de phase et la

méthode de simulation LBM. Ce travail se réalisera en collaboration avec un laboratoire du CEA–

Marcoule qui possède les compétences sur les aspects phénoménologiques et CFD des écoulements

diphasiques en présence de surfactant.

Directions de travail - Compréhension du modèle physique de suivi d’interface, de la méthode LB et prise en main

du code de calcul.

- Développements informatiques en C++.

- Vérifications et validations ; simulations et discussion.

- Rédaction du rapport et présentation orale des résultats.

Profil recherché Le profil requis est celui d’un Mastère 2 ou d’une dernière année d’école d’ingénieur ayant un goût

prononcé pour le calcul scientifique des EDPs, la modélisation physique et la programmation en C++.

Références [1] T. Krüger, H. Kusumaatmaja, A. Kuzmin, O. Shardt, G. Silva, E. Viggen, The Lattice Boltzmann

Method. Principles and Practice, Springer, 2017. doi:10.1007/978-3-319-44649-3.

[2] A. Cartalade, W. Verdier, T. Boutin, P. Kestener, LBM_saclay : application HPC multi-architectures sur base LBM. Guide du développeur, Tech. rep., CEA-Saclay, DES, ISAS, DM2S, STMF, LMSF (2022).

[3] W. Verdier, P. Kestener, A. Cartalade, Performance portability of lattice Boltzmann methods for two-phase flows with phase change, Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering 370 (2020) 113266. doi:10.1016/j.cma.2020.113266.

[4] J. Bueno, H. Gomez, Liquid-vapor transformations with surfactants. Phase-field model and isogeometric analysis, Journal of Computational Physics 321 (2016) 797–818. doi:10.1016/j.jcp.2016.06.008.

https://doi.org/10.1016/j.jcp.2016.06.008


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

bains de corium

Durée : 6 mois





Envoyer un CV détaillé à :

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

Romain LE TELLIER CEA-Cadarache, DES/IRESNE/DTN/SMTA/LMAG Bât 238 p.142 [email protected] tél : 04 42 25 79 94



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

Contexte

La méthode de Boltzmann sur réseaux (Lattice Boltzmann Method – LBM) [1] est une méthode

numérique qui permet de simuler des problèmes physiques modélisés par des équations aux dérivées

partielles telles que celles impliquées dans la croissance des cristaux, les équations fractionnaires et

les écoulements de fluide. La base de la méthode consiste à réaliser une étape de collision suivie d’une

étape de déplacement d’une fonction de distribution sur un maillage cartésien régulier. La méthode a

été mise en œuvre dans un code de calcul développé au CEA et écrit en C++ : LBM_saclay [2]. Ce

dernier est dédié à la simulation d’écoulements diphasiques avec ou sans changement de phase

liquide-gaz et exécutable sur différentes architectures matérielles (multi-CPUs et multi-GPUs) [3]. Le

sujet de stage vise à enrichir la base de cas tests de LBM_saclay en étudiant une nouvelle application

physique impliquant des écoulements diphasiques.

Objectifs Le sujet du stage consiste à mettre en oeuvre dans LBM_saclay des simulations HPC d’instabilités de

Rayleigh-Taylor. Ce cas test est simulé dans [4] par un modèle Navier-Stokes/Cahn-Hilliard pour des

applications relatives aux accidents graves et au corium. Dans ce stage on simulera ce cas test en 2D

puis en 3D en remplaçant l’équation de Cahn-Hilliard par une équation d’Allen-Cahn conservative (pour

le suivi de l’interface) couplée à une équation de transport du potentiel chimique. Ces deux équations

seront couplées à celles de Navier-Stokes et le travail pourra s’appuyer sur des travaux déjà publiés




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dans la littérature [5] avec un modèle similaire mais sans transport. La densité, habituellement

interpolée avec le champ de phase pourra dépendre de la composition locale. Selon l’état

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

ternaire ou 2) comparaisons des temps de calcul 3D sur les différents plateformes GPUs et CPUs

accessibles au CEA (supercalculateur Jean-Zay de l’IDRIS et IRENE-V100 du CCRT).

Environnement de travail Le stage s’effectuera au sein du laboratoire LMSF du Service de Thermo-Hydraulique et Mécanique des

Fluides (STMF) du CEA–Saclay qui regroupe des compétences sur les modèles à champ de phase et la

méthode de simulation LBM. Ce travail se réalisera en collaboration avec un laboratoire du CEA–

Cadarache qui possède les compétences sur la phénoménologie et la CFD des bains de corium.

Directions de travail - Compréhension du modèle physique de suivi d’interface, de la méthode LB et prise en main

du code de calcul.

- Développements informatiques en C++.

- Vérifications et validations ; simulations et discussion.

- Rédaction du rapport et présentation orale des résultats.

Profil recherché Le profil requis est celui d’un Mastère 2 ou d’une dernière année d’école d’ingénieur ayant un goût

prononcé pour le calcul scientifique des EDPs, la modélisation physique et la programmation en C++.

Références [1] T. Krüger, H. Kusumaatmaja, A. Kuzmin, O. Shardt, G. Silva, E. Viggen, The Lattice Boltzmann

Method. Principles and Practice, Springer, 2017. doi:10.1007/978-3-319-44649-3.

[2] A. Cartalade, W. Verdier, T. Boutin, P. Kestener, LBM_saclay : application HPC multi-architectures sur base LBM. Guide du développeur, Tech. rep., CEA-Saclay, DES, ISAS, DM2S, STMF, LMSF (2022).

[3] W. Verdier, P. Kestener, A. Cartalade, Performance portability of lattice Boltzmann methods for two-phase flows with phase change, Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering 370 (2020) 113266. doi:10.1016/j.cma.2020.113266.

[4] R. Zanella, R. Le Tellier, M. Plapp, G. Tegze, H. Henry, Three-dimensional numerical simulation of droplet formation by Rayleigh–Taylor instability in multiphase corium, Nuclear Engineering and Design 379 (2021) 111177. doi:10.1016/j.nucengdes.2021.111177.

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

https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2021.111177

https://doi.org/10.1016/j.ijmultiphaseflow.2018.05.004J


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

gestion de la périodicité dans les simulations CFD

Durée : 6 mois





Anida KHIZAR ([email protected])

Adrien BRUNETON ([email protected])

Guillaume BOIS ([email protected])



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

Contexte

Pour évaluer la sûreté des installations nucléaires, le CEA développe, valide et utilise des outils de

simulation en thermohydraulique. Il s’intéresse en particulier à la modélisation des écoulements

diphasiques eau-vapeur par différentes approches de la plus fine à la plus intégrale. La simulation fine

(DNS, Simulation Numérique Directe diphasique) joue un rôle particulier en produisant des données

de référence, ensuite comparées aux modèles à plus grande échelle. Cette démarche est appliquée à

des écoulements de plus en plus complexes, dans le but, à terme, de mieux prédire le déclenchement

de la crise d’ébullition.

Pour produire ces données, le service a développé une méthode de simulation fine diphasique (Front-

Tracking). Cette méthode est implémentée dans notre code Open-Source de thermo-hydraulique:

TRUST/TrioCFD (code orienté objet, C++) [1]. Elle permet de réaliser des simulations massivement

parallèles pour décrire finement les interfaces et les structures turbulentes sans recourir à des

modèles. Le code a été employé avec succès sur plusieurs applications d’écoulements à bulles pour

améliorer la compréhension de la turbulence et des transferts qui doivent être modélisés [2] [3] [4]

[5]. De nouvelles opportunités pour appliquer notre outil DNS à des régimes d’écoulements à phases

séparées (écoulements annulaires ou stratifiés) apparaissent et créent donc le besoin de

développements informatiques importants pour les rendre réalisables.

D'un point de vue informatique, le code est intégralement écrit en C++ et se base sur un parallélisme

de type SPMD (Single Process Multiple Data) mis en œuvre grâce au standard MPI. Le domaine de

calcul est découpé en sous-parties traitées chacune par un processeur. L'échange d'information entre

les processeurs se fait par l'adjonction aux bords de chaque sous-domaine d'éléments fantômes (ghost

cells) servant de vecteur d'échange avec les processeurs voisins.

D'un point de vue physique, la méthode Front-Tracking offre une grande précision des résultats mais

elle est associée au suivi d’un maillage surfacique mobile et déformable (le Front), immergé dans une


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grille volumique fixe (maillage dit Eulérien). La qualité de ce maillage est importante. Les interactions

entre les deux grilles sont complexes, surtout au niveau de la gestion des conditions aux limites. En

particulier, afin de simuler des écoulements turbulents sur un petit domaine représentatif, il est

nécessaire d’appliquer des conditions aux limites périodiques sur certains bords du domaine. Ainsi

dans ces directions, les grandeurs physiques se raccordent continûment d'un bord à l'autre du

domaine. Cependant, il est alors difficile de maintenir la connectivité nécessaire sur le Front pour

évaluer la courbure par exemple.

Actuellement, l'implémentation informatique sous-jacente de la périodicité est présente uniquement

dans une application très spécifique de TrioCFD (nommée TrioIJK), et elle fait appel à un domaine

étendu dans lequel le front d'interface est dupliqué artificiellement de part et d'autres des bords du

domaine. Cette approche est lourde, complexe et limitée à la simulation de petites bulles. Elle ne

permet donc pas de simuler une interface plane (infinie) séparant deux phases continues, comme dans

les écoulements annulaires ou stratifiés. Une nouvelle méthode a donc été développée pour remplacer

ce mécanisme par l'utilisation de cellules fantômes de part et d'autre des bords périodiques, ce qui

rend le code plus flexible et allège son empreinte mémoire.

Objectifs L'objectif du stage est de passer en revue la nouvelle méthode de traitement des conditions limites de

périodicité, de la consolider et d’appliquer un traitement similaire aux conditions limites périodiques

dans TRUST/TrioCFD. Un challenge particulier concerne la bonne marche de ce mécanisme lorsque

l’interface est plane et couvre tout le domaine de calcul, configuration qu’on retrouve pour les

écoulements annulaires par exemple.

Environnement de travail Le stage s’effectuera au sein du Laboratoire de Génie Logiciel (ISAS/DES/DM2S/STMF/LGLS) sur le site du CEA à Saclay.

Compétences requises ou souhaitées - maîtrise de la programmation objet et du C++ - solides notions de parallélisme à mémoire distribuée (MPI) - des connaissances de base en mécanique des fluides sont souhaitables

Profil recherché Formation Master 2 ou équivalent en informatique, maths applis, ou génie logiciel.

Références [1] TRUST/TrioCFD website - http://www-trio-u.cea.fr [2] G. Bois, Direct Numerical Simulation of a turbulent bubbly flow in a vertical channel: Towards an

improved Second-Order Reynolds Stress Model, Nuclear Engineering and Design, 2017 http://dx.doi.org/10.1016/j.nucengdes.2017.01.023

[3] A. du Cluzeau, G. Bois, A. Toutant. Analysis and modeling of Reynolds stresses in turbulent bubbly up-flows from Direct Numerical Simulations, Journal of Fluid Mechanics, Vol 866, May 2019, pp 132-168, https://doi.org/10.1017/jfm.2019.100

[4] A. du Cluzeau, G. Bois, A. Toutant, J-M. Martinez. On bubble forces in turbulent channel flows from direct numerical simulations, Journal of Fluid Mechanics, vol 882, Jan 2020, A27, https://doi.org/10.1017/jfm.2019.807

[5] A. du Cluzeau, G. Bois, A. Toutant, Modelling of the laminar dispersion force in bubbly flows from direct numerical simulations, Physics of Fluids, vol 32, Jan 2020, https://doi.org/10.1063/1.5132607

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

http://dx.doi.org/10.1016/j.nucengdes.2017.01.023

https://doi.org/10.1017/jfm.2019.100

https://doi.org/10.1017/jfm.2019.807

https://doi.org/10.1063/1.5132607


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Sujet de stage / Internship topic : Study of an acoustic/transport

splitting scheme on staggered grid for homogeneous two-phase flows

models

Durée / Duration : 6 mois / 6 months

Démarrage / Beginning : March 2022

Lieu / Location : CEA-Saclay, site de Saclay

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

Futurs encadrants ou contacts / Supervisors or contacts:

Thomas Galié, SMTF/LMEC (mail : [email protected])

Samuel Kokh, SMTF/LMEC (mail : [email protected])

Khaled Saleh, Université Claude Bernard Lyon 1 (mail : [email protected])

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

Possibilité de poursuite en thèse / Possible opening on a PhD proposal : yes

Mots-clés / Keywords : applied mathematics, fluid mechanics, two-phase flows, low Mach number, staggered grid

Contexte / Context We are interested in simulating two-phase flows into the core of a Pressurized Water Reactor. Such flows are generally at low Mach number. For the present internship, we will use a mixture model called the HRM model. Our goal is to develop a new numerical method to approximate its solutions based on a finite volume approach and two main ideas. The first one consists in separating the acoustic (fast) part and the transport (slow) part of the system thanks to a classical splitting technique. The second one uses a staggered discretization of the unknowns: the vectorial unknown (the velocity of the fluid) is discretized at the edges (or faces in 3D) of the mesh and the scalar ones (the thermodynamical variables) are located at the center of the cells.

Objectifs / Objectives The intern will have to theoretically derive the numerical method and then code a 1D and/or 2D time-explicit version (using Python language for instance). A time-implicit version of the new method could also be tested.

Environnement de travail / Work environment

The internship will take place at the STMF/LMEC.

Compétences requises ou souhaitées / Required or desired Skills

Good knowledge of finite volume methods and numerical methods in fluid mechanics.

Advanced skills in Python, Fortran or C++ (or other scientific programming language).

Profil recherché / Applicant profile Master 2, Engineering school student





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Sujet de stage : Etude de la méthode de Galerkine discontinue pour les

équations de Navier-Stokes

Durée : 6 mois

Démarrage : en 2022



Futurs encadrants ou contacts

Erell Jamelot, SMTF/LMSF (mail : [email protected], tél. : 01-69-08-44-25)

Patrick Ciarlet, ENSTA IP Paris



Contexte Le stage est proposé aux étudiants préparant un diplôme de niveau Master 2 en mathématiques appliquées (analyse numérique et/ou calcul scientifique). Il se déroulera au CEA Saclay dans le Laboratoire de Modélisation et de Simulation à l’échelle Système (LMSF), au sein du Service de Thermohydraulique et de Mécanique des Fluides (STMF) de la Direction des Énergies (DES).

Les équations de Navier-Stokes décrivent le mouvement des fluides newtoniens. Dans le cas stationnaire, on résout le problème de Stokes. En notant Ω⊂ℝ𝑑, 𝑑 ∈ {2,3} le domaine physique, ce problème s’écrit : Trouver le champ de vitesse �⃗� et le champ de pression 𝑝 du fluide tels que :

{−𝜈Δ�⃗� + ∇𝑝⃗⃗⃗⃗ ⃗ = 𝑓,⃗⃗⃗

∇⃗⃗ ∙ �⃗� = 0.

La première de ces deux équations n'est autre que la loi de Newton, tandis que la seconde découle de la conservation de la masse dans le cas d'un fluide incompressible. Le paramètre 𝜈 représente la

viscosité dynamique, et le champ vectoriel 𝑓 représente la résultante des forces extérieures agissant sur le fluide. A ces équations s’ajoutent des conditions aux limites adéquates.

Le logiciel du CEA TrioCFD [1], développé au LMSF, permet de modéliser les écoulements de fluides. La méthode de discrétisation de TrioCFD est basée sur la méthode des éléments finis mixtes non-conformes de Crouzeix-Raviart [2] : la vitesse est approchée par des fonctions affines, continues par morceaux sur un maillage de triangles ou de tétraèdres.

Objectifs

Des études sont en cours pour monter en ordre et utiliser des maillages généraux, à l’aide de la méthode des éléments finis de Galerkine discontinus [3]. L’une des difficultés repose sur la preuve de bonne position du problème discret. Le but de ce stage est d’analyser, pour le problème de Stokes, la condition inf-sup discrète à la lumière de la théorie de la T-coercivité (cf. [4], voir [5] pour la diffusion



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neutronique). Le but de ce stage est d’analyser, pour le problème de Stokes, la condition inf-sup discrète à la lumière de la théorie de la T-coercivité (cf. [4], voir [5] pour la diffusion neutronique). Il s’agit d’étudier différentes paires d’éléments finis de Galerkine discontinus : trouver des représentants explicites qui vérifient la condition inf-sup discrète et réaliser des expériences numériques de validation sur une maquette. Cette démarche aide à la construction d’éléments finis mixtes précis pour le problème de Stokes. On pourra s’inspirer des techniques de projection décrites dans [6].

Bibliographie

[1] http://triocfd.cea.fr/ [2] M. Crouzeix, P.-A. Raviart, Conforming and nonconforming finite element methods for solving the stationary Stokes equations. RAIRO, Sér. Anal. Numer., 33 (1973). [3] V. Girault, B. Rivière, M. F. Wheeler, A splitting method using discontinuous Galerkin for the transient incompressible Navier-Stokes equations, ESAIM: M2AN, 39 (2005). [4] P. Ciarlet, Jr., T-coercivity: application to the discretization of Helmholtz-like problems, Computers and Mathematics with Applications, 64 (2012). [5] L. Giret, Numerical Analysis of a Non-Conforming Domain Decomposition for the Multigroup SPN Equations, thèse de doctorat de l’Université Paris-Saclay (2018). [6] C. Kreuzer, R. Verfürth, P. Zanotti, Quasi-Optimal and Pressure Robust Discretizations of the Stokes Equations

by Moment- and Divergence-Preserving Operators. Comput. Methods Appl. Math., 2 (2021).

Profil recherché

Master 2 en mathématiques appliquées (analyse numérique et/ou calcul scientifique)


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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

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complémentaire, vous pouvez

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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



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Propositions de stages 2022 au CEA/STMF