Explicit algebraic subfilter scale modeling for DES-like methods and extension to variable density flows

La prédiction des écoulements turbulents évoluant dans un milieu où une stratification stable est présente (gradient de température, concentration) intéresse un grand nombre de domaines pour des problématiques de sûreté dans des situations aussi bien naturelles qu'industrielles (conséquences des éruptions volcaniques, pollution atmosphérique, ...). Dans le cadre des études de sûreté menées par l'IRSN, une problématique importante concerne le risque de formation d'une atmosphère explosive dans les locaux où une source d'hydrogène est présente (conduit ou capacité) ainsi que dans l'enceinte de confinement en situation accidentelle. Dans la deuxième situation, une quantité importante d'hydrogène provenant principalement de la réaction d'oxydation des gaines en zircaloy peut en effet s'accumuler en partie supérieure de l'enceinte sous l'effet des forces de flottabilité.

L'objectif de la thèse est de contribuer à l'amélioration des performances prédictives des outils CFD dédiés au risque d'explosion, plus particulièrement au risque de formation d'une atmosphère explosive. Les développements réalisés dans le code de calcul P2REMICS (Partially PREMixed Combustion Solver) développé à l'IRSN s'articulent autour de deux axes complémentaires. Il s'agit d'une part d'améliorer les prédictions des approches RANS au travers d'une fermeture algébrique des tensions de Reynolds et du flux de masse turbulent obtenue à partir d'une hypothèse d'équilibre faible d'une modélisation au second ordre. D'autre part, devant la faible prédictivité des approches RANS observée pour certains écoulements et des limitations en termes de coût pour la simulation des grandes échelles, il s'agit de développer une approche hybride RANS-LES de type DES équivalente s'appuyant sur une fermeture algébrique analogue pour les tensions et le flux de masse de sous-filtre.

Les résultats obtenus dans un premier temps dans le cas d'écoulements sans variation de masse volumique montrent dans certains cas une amélioration apportée par une fermeture RANS algébrique alors que l'amélioration apportée par l'approche hybride est systématique. Dans le cas d'une stratification stable et pour de faibles écarts de masse volumique, les premiers résultats obtenus illustrent la validité et les potentialités des approches proposées.