La compréhension des écoulements à bulles dans les centrales nucléaires demeure encore un élément limitant dans l’analyse des opérations et de la sûreté des installations. Pour ne citer qu’un exemple, l’amélioration de la durée de vie etde la performance des générateurs de vapeur nécessite d’appréhender les régimes d’écoulement au sein des tubes qui sont responsables de leur vibration. Cependant, pour simuler avec précision ces écoulements, les codes de simulation numérique doivent relever de nombreux défis parmi lesquels la capacité à simuler des inclusions ayant des tailles très variées. Dans cette thèse, une nouvelle approche, appelée approche multi-champ, est implémentée dans le code NEPTUNE_CFD, basé sur un modèle bi-fluide. Cette approche inclut une méthode de suivi d’interface pour les grandes structures déformables et prend en compte les effets liés à la turbulence et aux changements de phase.Pour simuler de tels écoulements complexes en limitant le coût CPU, l’approche multi-champ considère séparément les petites inclusions sphériques des grandes inclusions déformables. Ainsi, les petites structures sphériques sont définies via un champ eulérien dispersé évoluant au sein d’un champ continu porteur, comme c’est habituellement le cas avec le modèle bi-fluide. Les grosses bulles déformables sont considérées comme des interfaces entre deux champs continus, un champ liquide et un champ gaz. Si on prend l’exemple d’un écoulement diphasique avec de l’eau et des bulles d’air de différentes tailles, trois champs sont alors définis pour cet écoulement: un champ continu liquide, un champ continu gaz et un champ dispersé gaz contenant les petites bulles sphériques. Cependant, simuler avec précision des interfaces entre deux champscontinus avec le modèle bi-fluide nécessite le développement de traitements spécifiques afin de coupler les deux champs à l’interface et de limiter la diffusion de cette interface.Après avoir amélioré la simulation des interfaces dans des écoulements laminaires, les effets liés à la turbulence sont étudiés. Une étude a priori de simulations aux grandes échelles est proposée pour identifier les termes sous-mailles et comparer différents modèles de turbulence disponibles dans la littérature. L’implémentation et la validation du modèle de turbulence retenu suite à l’étude sont détaillées. Les changements de phase sont ensuite explorés via le développement d’un modèle spécifique pour le terme de transfert de masse. Pour finir, des simulations trois champs sont présentées. De nouveauxcritères sont définis pour modéliser la fragmentation des grandes inclusions déformables en petites bulles sphériques ainsi que la coalescence de ces dernières pour former de grandes bulles déformables.A chaque étape de l’implémentation des différents modèles évoqués, des validations basées sur des données analytiques et issues d’expériences sont présentées afin de s’assurer que les phénomènes physiques sont bien prédits. Des cas tests dans des configurations industrielles sont également détaillés pour montrer la capacité de l’approche développée à simuler des écoulements complexes / Bubbly flows occurring in nuclear power plants remain a major limiting phenomenon for the analysis of operation and safety. As an example, the improvement of steam generator lifetime and performance relies on the comprehension of flow regimes inside the tubes responsible for tube vibrations. However, to ensure an accurate simulation of these flows, theComputational Multi-Fluid Dynamics (CMFD) codes have to take up many challenges, among others the ability of dealing with a variety of inclusion sizes. The classical two-fluid model allows simulating small spherical inclusions but is not able to compute large deformable inclusions. Thus, in this thesis, a new approach, called the multifield approach, is implementedin the CMFD code NEPTUNE_CFD, based on a two-fluid model. This approach includes an interface tracking method for large and deformable structures and takes into account turbulence and phase change effects.To simulate such complex flows with reasonable computational costs, the multifield approach considers separately the small spherical inclusions and the large deformable ones. Thus, the small spherical structures are defined as a dispersed field evolving in a continuous carrier field, as usually done in the two-fluid model. The large deformable bubbles are considered as interfaces between two continuous phases treated as two different fields in the two-fluid model. In the example of a two-phase flow with water and air bubbles of different sizes, three fields are defined: a continuous liquid field, a continuous gas field and a dispersed gas field containing the small spherical bubbles. However, the accurate simulation of interfaces between the two continuous fields within the two-fluid model requires specific treatments to couple the two fields at the interface and to limit the interface smearing.After improving the interface simulation in laminar flows, turbulence effects are investigated. An a priori Large Eddy Simulation (LES) study is performed to identify the predominant subgrid terms and to compare different availableturbulence models. The implementation and validation of the most suitable model is proposed. Phase change interfaces are then explored with the development of a specific model for the mass transfer term. Finally, three fields simulations are performed. New criteria are defined for the breakup of the large deformable inclusions into small spherical bubbles and for the coalescence of the latter forming large deformable bubbles.Validation at each step of the models implementations are presented using analytical and experimental data to ensure that the physical phenomena are well predicted. Test cases in industrial configurations are finally performed to show the ability of the developed approach to deal with complex flows

Les échangeurs de chaleur sont des dispositifs largement utilisés dans divers systèmes énergétiques. Les présents travaux de recherche s’intéressent à la conception des échangeurs bi-fluides monophasiques par des méthodes d’optimisation topologique. A la différence des méthodes conventionnelles d’optimisation de taille et de forme, ces méthodes permettent une liberté de conception plus grande et ne nécessitent aucune définition a priori de la géométrie de l’échangeur. L’optimisation topologique bi-fluide consiste donc à réorganiser librement deux fluides et un solide dans un domaine d’optimisation. Les deux fluides doivent connecter les zones d’entrée aux zones de sortie en évitant tout mélange entre fluides. Dans le cadre de cette thèse, la méthode SIMP « Solid Isotropic Material with Penalization » a été utilisée. Divers algorithmes constituant cette méthode ont été formulés et testés : la méthode des volumes finis a été choisie pour la résolution du problème direct, la méthode des adjoints discrets pour le calcul du gradient de la fonction objectif et enfin la méthode des asymptotes mobiles pour guider l’optimisation numérique. Les résultats des simulations ont permis de définir différentes formes d’échangeurs de chaleur en 2D. On a fait varier le nombre d’entrées et de sorties ainsi que les débits de chaque fluide. Les travaux montrent la capacité de cette méthode à concevoir des formes innovantes d’échangeur de chaleur. La thèse établit ainsi les bases d’une nouvelle méthode de conception des échangeurs de chaleur. / Heat exchangers are devices widely used in various energy systems. The present research work focuses on the design of single-phase bi-fluid heat exchangers by using topology optimization methods. Unlike conventional size and shape optimization methods, topology optimization methods allow greater design freedom and do not require prior definition of the exchanger geometry. Hence, bi-fluid topology optimization consists of freely reorganizing two fluids and one solid in the optimization domain. Both fluids should connect inlet sections to outlet sections while avoiding any fluid mixture inside the domain. SIMP method “Solid Isotropic Material with Penalization” is used within the framework of this thesis. This method includes various algorithms that were formulated and tested : finite volume method was selected for solving the direct physical problem, discrete adjoint method was used for the calculation of the gradient of the objective function, and the method of moving asymptotes was adopted to guide the numerical optimization. Simulation results have allowed the definition of various heat exchanger shapes in 2D. The number of inlet and outlet as well as the flow rates of each fluid have been varied. The works have shown the ability of this method to design innovative shapes of heat exchangers. Hence, the thesis establishes the basis of a new design methodology of heat exchangers.

La première préoccupation de cette thèse est le problème de deux fluides ou un fluide à deux phases, c’est-à-dire que nous nous sommes intéressés à la simulation d’écoulements impliquant deux ou plusieurs fluides visqueux incompressibles immiscibles de propriétés mécaniques et rhéologiques différentes. Dans ce contexte, nous avons considéré que l’interface mobile entre les deux fluides est représentée par la ligne de niveau zéro d’une fonction ligne de niveau et régie par l’équation d’advection, où le champ advectant est la solution des équations de Navier-Stokes. La plupart des méthodes de capture d’interface utilisent une grille cartésienne fixe au cours de la simulation. Contrairement à ces approches, la nôtre est fortement basée sur l’adaptation de maillage, notamment au voisinage de l’interface. Cette adaptation de maillage permet une représentation précise de l’interface, à l’aide de ses propriétés géométriques, avec un nombre de degrés de liberté minimal.La résolution d'un problème à deux fluides est résumée par les étapes suivantes:- Résoudre les équations de Navier-Stokes par la méthode de Lagrange-Galerkin d’ordre 1;- Traitement géométrique la tension de surface se basant sur la discrétisation explicite de l'interface dans le domaine de calcul;- Résoudre l'équation d’advection par la méthode des caractéristiques;- Les techniques de l'adaptation de maillage.On propose ici un schéma entre l’advection de l’interface, la résolution des équations de Navier-Stokes et l’adaptation de maillage. Certains résultats des exemples classiques pour les deux problèmes de monofluide et bifluide comme la cavité entrainée, la rémontée d’une bulle, la coalescence de deux bulles et les instabilités Rayleigh-Taylor sont étudiés en deux et trois dimensions.La deuxième partie de cette thèse est liée à l'optimisation des formes en mécanique des fluides. Nous construisons un schéma numérique en utilisant la méthode des lignes de niveau et l’adaptation de maillage dans le contexte des systèmes de Stokes. Le calcul de la sensibilité de la fonction objective est liée à la méthode de variation des limites d’Hadamard et les dérivées des formes sont calculées par la méthode de Céa. Un exemple numérique avec la fonction objective de la dissipation d'énergie est présenté pour évaluer l'efficacité et la fiabilité du schéma proposé. / The first concern of this thesis is the problem of two fluids flow or two-phase flow, i.e weare interested in the simulation of the evolution of an interface (or a free surface) between twoimmiscible viscous fluids or two phases of a fluid. We propose a general scheme for solving two fluids flow or two-phase flow which takes advantage of the flexibility of the level set method for capturing evolution of the interfaces, including topological changes. Unlike similar approaches that solve the flow problem and the transport equation related to the evolution of the interface on Cartesian grids, our approach relies on an adaptive unstructured mesh to carry out these computations and enjoys an exact and accurate description of the interface. The explicit representation of the manifold separating the two fluids will be extracted to compute approximately the surface tension as well as some algebraic quantities like the normal vector and the curvature at the interface.In a nutshell, the resolution of a two-fluid problem is summarized by the steps involves thefollowing ingredients:– solving incompressible Navier-Stokes equations by the first order Lagrange-Galerkin method;– geometrical treatment to evaluate the surface tension basing on the explicit discretisation of the interface;– solving the level set advection by method of characteristics; – the techniques of mesh adaptation.It is obvious that no numerical method is completely exact in solving the PDE problemat hand, hence, we need a discretized computational domain. However, the accuracy of numericalsolutions or the mass loss/gain can generally be improved with mesh refinement. The question thatarises is related to where and how to refine the mesh. At each time, our mesh adaptation producesthe adapted mesh based on the geometric properties of the interface and the physical properties ofthe fluid, simply speaking, only one adapted mesh at each time step to assume both the resolutionof Navier-Stokes and the advection equations. It answers to the need for an accurate representationof the interface and an accurate approximation of the velocity of fluids with a minimal number ofelements, then decreasing the amount of computational time. Some results of the classical examples for both problems of monofluid and bifluid flows as : lid-driven cavity, rising bubble, coalescence of two bubbles, and Rayleigh-Taylor instability are investigated in two and three dimensions.The second part of this thesis is related to shape optimization in fluid mechanics. We construct a numerical scheme using level set method and mesh adaptation in the context of Stokes systems. The computation of the sensitivity of objective function is related to the Hadamard’s boundary variation method and the shape derivatives is computed by Céa’s formal method. A numerical example with theobjective function of energy dissipation is presented to assess the efficiency and the reliability of theproposed scheme.

Les tubes des générateurs de vapeur des centrales nucléaires vibrent sous l'effet d'écoulement eau/vapeur. Pour appréhender ce phénomène et le comprendre, des expériences à échelles réduites sont réalisées. La simulation numérique a montré son habilité à reproduire l'interaction fluide-structure sur ce type de géométrie pour des écoulements monophasiques. L'objectif est désormais de faire de même en écoulement diphasique et de caractériser les propriétés physiques du mélange liquide/gaz influant sur la vibration.Pour se faire, un code CFD avec une approche bi-fluide est utilisé. Une méthode dite de "Discrete forcing" est implémentée pour permettre le mouvement imposé de corps solides au sein d'un écoulement à plusieurs phases. Celle-ci est alros validée sur des cas simples et intégraux avec une comparaison systématique à des résultats expérimentaux ou théoriques.En se basant sur un algorithme implicite existant dans la littérature, un couplage fluide-structure utilisant cette méthode de suivi d'interface est implémenté. Validé sur des cas monophasiques et diphasiques, ce couplage offre désormais la possibilité de déplacer un solide en fonction des forces fluides diphasiques qui lui sont appliquées.Les différentes méthodes numériques présentes dans NEPTUNE_CFD sont ensuite évaluées pour un écoulement fréon/fréon au travers d'un faisceau de tubes inclinés. La nécessité d'utiliser des modèles dit "multi-régime" est mis en avant.Afin de déterminer l'influence sur l'écoulement des différentes propriétés physiques d'un mélange diphasique, plusieurs cas simples sont réalisés.Finalement, l'application industrielle cible, un écoulement eau/fréon dans un faisceau de tubes à pas carré, est simulée et comparée à un écoulement en conditions réelles (eau/vapeur à 70 bar). Les vibrations induites par écoulement monophasique puis diphasique sont correctement reproduites sur des cas dit de "faisabilité". / In nuclear power plants, steam generator tubes vibrate because of steam/water cross-flows. In order to understant this phenomenon, reduced-scale experiments are performed. Numerical simulations have shown their ability to accurately reproduce the vibration induced by a single phase flow in a tube bundle. The aim of the present work is to do the same with two-phase flow and to characterize the effect of the mixture physical properties on vibration.To do so, a CFD code based on a two-fluid approach is used. A "discrete forcing" method is implemented in order to allow solid body motion in a two-phase flow. The validation is performed with simple and industrial cases using experimental and theoretical results.Using an existing implicit algorithm, a fluid-structure coupling based on the developed interface tracking method is implemented. Validated for single and two-phase flows, it is now possible to have solid motion induced by fluid forces.The different numerical models dedicated to two-phase flows are then evaluated on a freon/freon flow across an inclined tube bundle. The use of a multi-regime model is required. In order to investigate the role of the different physical properties on the vibration, three simple studies are performed.Finally, the industrial application, a freon/water flow across a square pitch tube bundle, is performed. First, it is compared to a steam/water flow in order to characterize the discrepancies when we are using a modeling mixture. Then, the vibration induced by single- and two-phase flows is reproduced by the developed method on feasibility test cases.

Lors que nous examinons numériquement des phénomènes multiphasiques suite à un accidentgrave dans le réacteur nucléaire, la dimension caractéristique des zones multi-fluides(non-réactifs et réactifs) s'avère beaucoup plus petite que celle du bâtiment réacteur, cequi fait la Simulation Numérique Directe de la configuration à peine réalisable. Autrement,nous proposons de considérer la zone de mélange multiphasique comme une interface infinimentfine. Puis, le solveur de Riemann réactif est inséré dans la Méthode des ÉquationsDiscrètes Réactives (RDEM) pour calculer le front de combustion à grande vitesse représentépar une interface discontinue. Une approche anti-diffusive est ensuite couplée avec laRDEM afin de précisément simuler des interfaces réactives. La robustesse et l'efficacité decette approche en calculant tant des interfaces multiphasiques que des écoulements réactifssont à la fois améliorées grâce à la méthode ici proposée : upwind downwind-controlled splitting(UDCS). UDCS est capable de résoudre précisément des interfaces avec les maillagesnon-structurés multidimensionnels, y compris des fronts réactifs de détonation et de déflagration.

Lors que nous examinons numériquement des phénomènes multiphasiques suite à un accidentgrave dans le réacteur nucléaire, la dimension caractéristique des zones multi-fluides(non-réactifs et réactifs) s’avère beaucoup plus petite que celle du bâtiment réacteur, cequi fait la Simulation Numérique Directe de la configuration à peine réalisable. Autrement,nous proposons de considérer la zone de mélange multiphasique comme une interface infinimentfine. Puis, le solveur de Riemann réactif est inséré dans la Méthode des ÉquationsDiscrètes Réactives (RDEM) pour calculer le front de combustion à grande vitesse représentépar une interface discontinue. Une approche anti-diffusive est ensuite couplée avec laRDEM afin de précisément simuler des interfaces réactives. La robustesse et l’efficacité decette approche en calculant tant des interfaces multiphasiques que des écoulements réactifssont à la fois améliorées grâce à la méthode ici proposée : upwind downwind-controlled splitting(UDCS). UDCS est capable de résoudre précisément des interfaces avec les maillagesnon-structurés multidimensionnels, y compris des fronts réactifs de détonation et de déflagration. / When numerically investigating multiphase phenomena during severe accidents in a reactorsystem, characteristic lengths of the multi-fluid zone (non-reactive and reactive) are foundto be much smaller than the volume of the reactor containment, which makes the directmodeling of the configuration hardly achievable. Alternatively, we propose to consider thephysical multiphase mixture zone as an infinitely thin interface. Then, the reactive Riemannsolver is inserted into the Reactive Discrete Equations Method (RDEM) to compute highspeed combustion waves represented by discontinuous interfaces. An anti-diffusive approachis also coupled with RDEM to accurately simulate reactive interfaces. Increased robustnessand efficiency when computing both multiphase interfaces and reacting flows are achievedthanks to an original upwind downwind-controlled splitting method (UDCS). UDCS is capableof accurately solving interfaces on multi-dimensional unstructured meshes, includingreacting fronts for both deflagration and detonation configurations.