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Couplages de codes et applications en interaction fluide structure

Elisabeth LONGATTE
EDF, Clamart

Sur le parc nucléaire, le respect des critères de sûreté, l’optimisation de la maintenance et la maîtrise de la durée de vie des composants passent par une prévision fiable des mécanismes de vieillissement et d’endommagement, comme l’usure ou la fatigue vibratoire des structures mécaniques que les seules approches expérimentales actuelles ne permettent pas de prévoir dans leur globalité. La mise au point de nouvelles méthodes s’inscrit dans une perspective d’amélioration continue des processus de conception, d’exploitation et de maintenance des matériels. Elle fait l’objet d’un projet engagé depuis 2001 à EDF R&D et consacré à la préparation d’outils numériques prédictifs pour les études des composants de REP (Réacteur à Eau Préssurisée), en particulier les études faisant intervenir des couplages multi-physiques comme les couplages fluide structure. Les méthodologies à mettre en oeuvre sont de natures différentes suivant le type de problèmes multi-physiques considérés. On distingue trois classes de configurations couplées :
1. Physiques découplées
2. Physiques chaînées ou faiblement couplées
3. Physiques fortement couplées.
Après une présentation des méthodologies adaptées à chaque type de physique, des premiers éléments de qualification des méthodes sont proposés sur la base de cas tests semi-industriels, représentatifs de tout ou partie des composants de REP considérés. Quelques résultats marquants obtenus sur des applications industrielles sont présentés. Enfin, l’apport de la simulation numérique est mis en évidence, tout particulièrement pour l’accès à des informations nouvelles, fondamentales pour la compréhension des phénoménologies intervenant dans les couplages fluide structure et inaccessibles au travers des modélisations semi-empiriques mises en oeuvre actuellement.
La présentation est principalement consacrée à la simulation de couplages faibles ou forts par couplages de codes. Les principales applications présentées sont relatives au calcul des vibrations de structures induites par écoulements. La procédure de couplage retenue consiste en un couplage externe entre les codes fluide et structure avec une gestion adaptée de l’interface pouvant reposer sur une formulation fluide de type A.L.E. (Arbitraire Lagrange Euler). Les problématiques posées par la modélisation de la physique au niveau de l’interface des systèmes couplés et les méthodes numériques associées sont abordées.
Les développements réalisés ont abouti à l’élaboration d’un coupleur fluide structure appelé Cosmethyc (Coupleur pour la Simulation Mécanique et Thermohydraulique). Quelques résultats obtenus avec l’outil sont présentés, comme l’identification numérique des caractéristiques vibratoires de tubes et faisceaux de tubes en présence de fluide et d’écoulements en termes de fréquences et d’amortissements vibratoires. Sur la base de confrontations calculs / mesures expérimentales / théories analytiques, on conclut que le coupleur développé et en cours d’évolution constitue un outil à caractère prédictif pour des configurations académiques. Les développements à venir des capacités de calculs permettront d’envisager son exploitation dans le cadre plus large des études industrielles.
On peut dire que les outils de chaînages et de couplages conçus, développés et mis en oeuvre seront opérationnels à court ou moyen terme pour la réalisation d’études locales des composants de REP faisant intervenir simultanément des problématiques aussi diverses que l’acoustique, la thermohydraulique, la mécanique, la dynamique, la thermique. Ils fourniront des informations nouvelles qui permettront de progresser dans la compréhension des phénoménologies en interaction fluide structure et favoriseront l’identification de paramètres inaccessibles par la mesure et cependant fondamentaux pour raison de sûreté. On peut citer la vitesse critique de départ en instabilité des tubes de générateurs de vapeur ou les caractéristiques de dimensionnement des grilles de mélange des assemblages combustibles.
Parmi les principales perspectives de ces travaux, outre l’amélioration des performances des codes, via le parallélisme notamment, et leurs nombreuses applications potentielles dans le cadre d’études industrielles, on peut mentionner la généralisation de ces développements au cas des écoulements diphasiques, domaine dans lequel on dispose également de nombreuses données expérimentales qui pourront être à la base de campagnes de qualification des outils numériques. L’extension des méthodes numériques et le recours à des méthodes alternatives seront également envisagés pour la simulation de nouveaux types de phénomènes de couplages multi-physiques multi-échelles. Les couplages de modèles et de méthodes numériques pourront être à la base de ces généralisations d’outils, avec une gestion adaptée des interfaces associées.


Laboratoire de Mécanique des Structures et des Systèmes Couplés - LMSSC