Étude expérimentale de l'interaction entre bulles et obstacles immergés (Th RES 26-08)

Les vibrations induites par écoulement (FIV) dans les générateurs de vapeur constituent un enjeu majeur de sûreté nucléaire. L'instabilité fluide-élastique peut causer fatigue mécanique, usure par frottement (fretting wear) et rupture de tubes. Bien que des progrès aient été réalisés dans la caractérisation des écoulements diphasiques à l'échelle des faisceaux complets, une lacune subsiste dans la compréhension des mécanismes élémentaires d'interaction bulle-obstacle.

Cette thèse propose d'étudier ces mécanismes au régime de Reynolds intermédiaire (Re ~1000-5000) pour des bulles centimétriques. Ce régime de transition permet d'isoler les phénomènes physiques élémentaires (déformation, fragmentation, couplage vibratoire) actifs aux échelles industrielles mais masqués par la complexité multi-échelles. L'identification des nombres adimensionnels critiques et l'utilisation de fluides simulants permettront entre autres d'établir des lois de similitude pour l'extrapolation vers les conditions industrielles.
Les objectifs seront de mesurer précisément le couplage fluide-structure et les vibrations induites par passages de bulles, de caractériser la fragmentation lors de l'impact et son influence sur la réponse vibratoire, d’étudier l'effet du confinement 2D via cellule Hele-Shaw, et de générer des données pour la validation CFD notamment pour les approches tout-régime d’écoulement.

Méthodes et moyens :

Les techniques de mesure privilégiées seront les sondes optiques à effet Doppler pour caractériser les taux de vide et vitesses locales, ainsi que l'ombroscopie avec caméras haute vitesse pour visualiser les trajectoires et déformations des bulles. D'autres techniques avancées disponibles au laboratoire (PIV diphasique, caméras événementielles) pourront être testées et déployées si leur apport se révèle pertinent pour répondre aux questions scientifiques posées. L'emploi de fluides/gaz simulants permettra d'explorer différents régimes de densité et tension de surface pour établir des lois de similitude.

Un dispositif de cellule de Hele Shaw sera construit à l'ASNR pour étudier les écoulements diphasiques confinés. Une étude conjointe sera également menée sur un dispositif Hele Shaw existant à l'IMFT lors d'un séjour de quelques mois à Toulouse, permettant de bénéficier de leur expertise reconnue sur les écoulements confinés. Des échanges réguliers avec les services de modélisation (LSMA/SEMIA) identifieront les données critiques pour la validation CFD en approche tout régime, garantissant leur exploitabilité.

Déroulement :

État de l'art. Prise en main des sondes optiques, caméras haute vitesse, ombroscopie. Caractérisation globale de l'installation diphasique existante MEDLEY. Premiers essais exploratoires d'interaction bulle-obstacle. Évaluation PIV diphasique et caméras événementielles. Échanges avec modélisation pour identifier données critiques CFD.

Campagne expérimentale sur MEDLEY (variation géométrie obstacle, débit, taille bulles). Finalisation dispositif Hele Shaw ASNR. Premiers essais fluides/gaz simulants. Analyse fragmentation et couplage vibratoire.

Essais complémentaires (campagne Hele Shaw, couplage fluide-structure avec mesures vibratoires précises, validation croisée techniques). En fonction de l’avancement, comparaisons quantitatives expériences/simulations CFD sur des simulations de l’étudiant ou d’un stagiaire. Rédaction du manuscrit et valorisation supplémentaire.

Publications visées

•          2 articles dans revues internationales à comité de lecture.

•          2-3 communications en conférences nationales/internationales.

Bibliographie

• Benguigui & al, Experimental and numerical contributions on flow-induced vibration in steam-generator-like tube bundles, NED 2024
• MJ Pettigrew & al, Vibration of tube bundles in twophase crossflow: part 1 - hydrodynamic mass and damping, 1989
• Angel Papukchiev & al, The European GO-VIKING Project on Flow-Induced Vibrations: Overview and Current Status, 2024
• Filella A, Ern P, Roig V. Oscillatory motion and wake of a bubble rising in a thin-gap cell, JFM 2015
• P. Berrecochea & al, Assessment of Drag Force Formulations for Two-Field All-Flow-Regime Models, Proceedings of NURETH 2025
• Spina & al ,Local-scale experimental investigation of a two-phase cross-flow in a tube bundle and flow-induced vibration, NED 2025

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 d'expérimentation en thermohydraulique (LETH) de l'ASNR en partenariat avec l'Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse (IMFT)

BAC+5 – École d'ingénieur ou Master, avec compétences en thermohydraulique