Simulation aux grandes échelles de la déflagration de mélanges H2/air/vapeur d'eau ; application aux expériences ENACCEF2

​

Prise de fonction : Juillet 2023

Durée : 18 mois

Lieu de travail : Cadarache (13), France

L'explosion des gaz et plus particulièrement celle de l'hydrogène constitue une source d'accidents majeurs aussi bien dans les installations industrielles classiques que nucléaires. Afin de prévenir ces risques et de limiter leurs conséquences, il est primordial de se doter d'outils de calculs capables de prédire de manière réaliste les charges en pression et en température générées par l'explosion de gaz.

Le logiciel CALIF³S-P²remics (Partially Premixed Combustion Solver) a été développé par l'IRSN dans ce but. Il permet de traiter les écoulements turbulents réactifs compressibles, tels que ceux rencontrés lors d'une explosion. Ce logiciel s'appuie sur une base expérimentale, dont certaines expériences sont calculées à des fins d'interprétation par Simulation des Grandes Echelles (SGE). L'objectif de ce post-doctorat est d'appliquer cette approche à certaines expériences de déflagration d'hydrogène dans un tube d'accélération de flamme de grande taille (expériences ENACCEF2).

Le schéma numérique du logiciel CALIF³S-P²remics s'appuie sur des maillages décalés (degrés de liberté pour les scalaires au centre des mailles et aux faces pour les vitesses). Il est explicite, basé sur le schéma d'Heun (schéma de Runge-Kutta d'ordre 2) et présente la propriété intéressante de vérifier une identité de conservation de l'énergie cinétique précise à l'ordre deux également. Son utilisation avec des maillages structurés est standard. Le travail proposé dans ce post-doctorat nécessitera de l'étendre à des maillages non-structurés.

Le travail proposé dans le cadre de ce post-doctorat se décompose en deux étapes.

Dans un premier temps, il s'agira d'étendre les discrétisations en espace pour la simulation des grandes échelles sur maillages non-structurés. Ce type de développement est un problème difficile. Il semblerait en particulier qu'il faille choisir des approximations de la pression le plus riches possible, tout en préservant la stabilité (condition inf-sup discrète). De tels travaux ont été proposés dans la littérature pour les éléments finis de Crouzeix-Raviart, pour la simulation des écoulements incompressibles. L'objectif est d'étendre ces idées dans deux directions :

• adaptation aux écoulements compressibles, dans le cadre de schémas développés depuis une dizaine d'années par l'Institut de Mathématique de Marseille (I2M) et l'IRSN,
  
• extension à des discrétisations en espace du même type (i.e. avec des degrés de liberté de vitesse associés aux faces) mais basées sur des cellules de forme différente : hexahèdres (éléments de Rannacher-Turek), prismes et pyramides.

Dans un second temps, la validation de ces schémas se fera sur des essais de déflagration de mélanges d'hydrogène, air et vapeur d'eau réalisés dans un tube d'accélération de flammes (expériences ENACCEF2 réalisées au Laboratoire ICARE du CNRS d'Orléans). Les simulations devront permettre de caractériser la turbulence dans l'écoulement ainsi que la structure du front de flamme.

L'encadrement du post-doc sera réalisé par le Laboratoire de l'Incendie et des Explosions (SA2I/LIE) à Cadarache. Le travail se fera en collaboration avec l'Institut de Mathématique de Marseille (I2M) sur lequel s'appuie l'IRSN depuis de nombreuses années pour le développement de schéma numérique.

Le candidat doit être titulaire d'un doctorat dans le domaine des mathématiques appliquées (mécanique des fluides numériques). Le candidat devra avoir un bon niveau d'anglais écrit et oral et sera amené à valoriser ces travaux sous la forme de communications à des congrès et/ou de publications scientifiques.