Vers une modélisation macroscopique des déflagrations en milieu encombré (Ref Th RES 26-03)

Vous intégrez le Laboratoire de l'Incendie et des Explosions (LIE) du Service des Agressions Internes et risques Industriels (SA2I) rattaché au Pôle Sûreté des installations et des systèmes nucléaires à Cadarache. Le SA2I réalise des expertises concernant la maîtrise des risques d'incendies, d'explosions et induits par l'activité humaine et des travaux de R&D. Le LIE y a pour objectif principal d'améliorer la connaissance sur les risques incendie et explosion en milieu confiné et ventilé et de développer les modélisations physiques associées (voir le site). 

Le sujet

Les études de risque pour les sites industriels conduisent parfois à modéliser des écoulements traversant des milieux très encombrés. C'est le cas, par exemple, lorsque l'on s'intéresse aux risques d'explosion de mélanges gazeux, à l'intérieur d'une installation complexe ; la présence d'une succession d'obstacles favorise alors, par génération de turbulence, la propagation du front de combustion. Ce phénomène dit "d'accélérations de flammes de prémélange" a une conséquence directe sur la sévérité de l'explosion. L'accélération de flamme est responsable d'une augmentation des niveaux de surpression et peut conduire, à l'extrême, à la transition vers la détonation. Dans un contexte non-réactif, mentionnons également la problématique de la formation d'atmosphère explosive pour laquelle les niveaux de concentration sont largement dominés par la turbulence et l'encombrement du milieu.

Pour l'ensemble de ces situations, il n'est souvent pas possible de décrire finement les différents obstacles, et une description macroscopique du milieu par changement d'échelle doit être introduite. Schématiquement, il s'agit d'établir le modèle physique gouvernant l'écoulement à l'échelle d'observation (grande échelle), en exploitant une description des phénomènes à l'échelle des obstacles (petite échelle). L'originalité de la situation à traiter tient dans le fait que, pour les écoulements industriels considérés, le changement d'échelle à réaliser est double, dans la mesure où les écoulements à la petite échelle sont eux-mêmes turbulents (donc eux-mêmes modélisés par un système d'équations satisfaits par des grandeurs moyennes et comportant des diffusions effectives traduisant des effets à une échelle encore inférieure). Les situations d'intérêt posent le problème d'une part de la modélisation de l'hydrodynamique de l'écoulement turbulent, à proprement parler et, d'autre part de la modélisation du transport d'un scalaire. Il peut s'agir dans le dernier cas de scalaires dits passifs comme la concentration d'espèces inertes ou, par opposition, de scalaires décrits à la petite échelle par des équations de transport avec terme source. D'un point de vue macroscopique, il s'agira d'estimer les tenseurs de dispersion et les taux de réaction effectifs en fonction des caractéristiques du milieu.

L'objectif principal de la thèse consiste à développer un modèle macroscopique d'écoulement turbulent en milieu encombré par une technique de changement d'échelle en se basant sur des simulations locales. On admettra que l'encombrement du milieu conduit à une séparation claire des échelles de description (faisceau de tuyaux...). Une modélisation de la turbulence par une approche de type RANS au premier ordre sera privilégiée. On abordera également dans ce travail le problème de la description macroscopique du transport turbulent de scalaires, en allant jusqu'au traitement des flammes de prémélange et au changement d'échelle associé à une variable d'avancement.

La thèse proposée s'articule selon deux grands axes. Le premier s'intéresse à la question de la définition d'un opérateur de moyenne sur un cas non réactif, au travers de comparaisons entre une prise de moyenne des données de référence (obtenues à la petite échelle par simulation des grandes échelles) avec les prévisions à la grande échelle d'un modèle de turbulence RANS macroscopique. Le second axe suivra une stratégie similaire en visant plus spécifiquement la problématique du transport réactif.

L'Autorité de sûreté nucléaire et de radioprotection est une autorité administrative indépendante créée par la loi du 21 mai 2024 relative à l'organisation de la gouvernance de la sûreté nucléaire et de la radioprotection pour répondre au défi de la relance de la filière nucléaire. Elle assure, au nom de l’État, le contrôle des activités nucléaires civiles en France et remplit des missions d'expertise, de recherche, de formation et d’information des publics.

La thèse se déroulera au Laboratoire de l'incendie et des explosions (LIE). Le LIE travaille sur la modélisation de l’incendie et des explosions et le développement de logiciels dédiés à simuler ces phénomènes et s’appuie sur la plateforme logicielle S3AFER (Scientific Simulation Software for Assessment of Fire and Explosion Risk).
Il est situé sur le centre de recherche de Cadarache, dans les Bouches du Rhône. 

Formation école d'ingénieur ou master mécanique énergétique et/ou mécanique des fluides numériques