The IAEA ICSP on Numerical Benchmarks for Multiphysics Simulation of Pressurized Heavy Water Reactor Transients was initiated in 2016 to facilitate the development of a set of open access, standardized, numerical test problems for postulated accident scenarios in a CANDU styled Reactor. The test problems include a loss of coolant accident resulting from an inlet header break, a loss of flow accident caused by a single pump trip, and a loss of regulation accident due to inadvertently withdrawn adjusters. The Benchmark was split into phases, which included stand-alone physics and thermal-hydraulics transients, coupled steady state simulations, and coupled transients. This thesis documents the results that were generated through an original TRACE/PARCS coupling methodology that was developed specifically for this work. There is a strong emphasis on development methods and step by step verification throughout the thesis, to provide a framework for future research in this area. In addition to the Benchmark results, additional studies on propagation of fundamental nuclear data uncertainty, and sensitivity analysis of coupled transients are reported in this thesis. Two Phenomena and Key Parameter Identification and Ranking Tables were generated for the loss of coolant accident scenario, to provide feedback to the Benchmark Team, and to add to the body of work on uncertainty/sensitivity analysis of CANDU style reactors. Some important results from the uncertainty analysis work relate to changes in the uncertainty of figures of merit such as integrated core power, and peak core power magnitude and time, between small and large break loss of coolant accidents. The analysis shows that the mean and standard deviation of the integrated core power and maximum integrated channel power, are very close between a 30% header break and a 60% header break, despite the peak core power being much larger in the 60% break case. Furthermore, it shows that there is a trade off between the uncertainty in the time of the peak core power, and the magnitude of the peak core power, with smaller breaks showing a smaller standard deviation in the magnitude of the peak core power, but a larger standard deviation in when this power is reached during the transient, and vice versa for larger breaks. From the results of the sensitivity analysis study, this thesis concludes that parameters related to coolant void reactivity and shutoff rod timing and effectiveness have the largest impact on loss of coolant accident progressions, while parameters that can have a large impact in other transients or reactor designs, such as fuel temperature reactivity feedback and control device incremental cross sections, are less important. / Thesis / Master of Science (MSc) / This thesis documents McMaster’s contribution to an International Atomic Energy Agency Benchmark on Pressurized Heavy Water Reactors that closely resemble the CANDU design. The Benchmark focus is on coupling of thermal-hydraulics and neutron physics codes, and simulation of postulated accident scenarios. This thesis contains some select results from the Benchmark, comparing the results generated by McMaster to other participants. This thesis also documents additional work that was performed to propagate fundamental nuclear data uncertainty through the coupled transient calculations and obtain an estimate of the uncertainty in key figures of merit. This work was beyond the scope of the Benchmark and is a unique contribution to the open literature. Finally, sensitivity studies were performed on one of the accident scenarios defined in the Benchmark, the loss of coolant accident, to determine which input parameters have the largest contribution to the variability of key figures of merit.

Le domaine de la simulation numérique évolue vers des simulations de phénomènes physiques toujours plus complexes. Cela se traduit typiquement par le couplage de plusieurs codes de simulation, où chaque code va gérer une physique (simulations multi-physiques) ou une échelle particulière (simulations multi-échelles). Dans ce cadre, l'analyse des résultats des simulations est un point clé, que ce soit en phase de développement pour valider les codes ou détecter des erreurs, ou en phase de production pour confronter les résultats à la réalité expérimentale. Dans tous les cas, le pilotage de simulations peut aider durant ce processus d'analyse des résultats. L'objectif de cette thèse est de concevoir et de réaliser une plate-forme logicielle permettant de piloter de telles simulations. Plus précisément, il s'agit à partir d'un client de pilotage distant d'accéder ou de modifier les données de la simulation de manière cohérente, afin par exemple de visualiser "en-ligne" les résultats intermédiaires. Pour ce faire, nous avons proposé un modèle de pilotage permettant de représenter des simulations couplées et d'interagir avec elles efficacement et de manière cohérente. Ces travaux ont été validés sur une simulation multi-échelles en physique des matériaux. / The numerical simulations evolve more and more to simulations of complex physical phenomena through multi-scale or multi-physics codes. For these kind of simulations data analysis is a main issue for many reasons, as detecting bugs during the development phase or to understand the dynamic of the physical phenomena simulated during the production phase. The computational steering is a technique well suited to do all this kind of data analysis. The goal of this thesis is to design and develop a computational steering framework that take into account the complexity of coupled simulations. So, through a computational steering client we want to interact coherently with data generated in coupled simulations. This afford for example to visualize on-line the intermediate results of simulations. In order to make this possible we will introduce an abstract model that enables to represent coupled simulations and to know when we can interact coherently with them. These works have been validated on a legacy multi-scale simulation of material physics.

Les énergies fossiles sont largement utilisées depuis les années 1900 pour satisfaire l’augmentation mondiale de la demande d’énergie. Cependant, la combustion est un procédé qui libère des polluants comme le CO2 et les NOx. Un des principaux challenges du 21ème siècle est de réduire ces émissions et les constructeurs automobiles sont impliqués dans cette course. Pour augmenter le rendement des moteurs à pistons, des solutions techniques, tels que le "downsizing", sont développées. Cette technique consiste à réduire la cylindrée des moteurs tout en maintenant leurs performances grâce à un turbocompresseur qui permet d’augmenter la masse enfermée dans la chambre de combustion. Malheureusement, l’augmentation de la pression dans les cylindres induite par le turbocompresseur est à l’origine de combustions anormales : des variations cycles à cycles importantes apparaissent, les gaz frais peuvent s’auto-allumer (allumage avant le claquage de la bougie) entrainant des phénomènes de cliquetis ou de rumble. La Simulation aux Grandes Echelles (SGE) a déjà prouvé qu’elle était un outil fiable pour prédire ces combustions anormales. Cependant ces calculs reposent sur des modèles pour prédire la propagation de la flamme dans la chambre de combustion. Ces modèles sont généralement issus de corrélations réalisées dans des cas où la turbulence est supposée homogène et isotrope. Définir théoriquement ou numériquement une telle turbulence est relativement simple mais expérimentalement la tâche est plus délicate. Cette thèse s’intéresse à un dispositif classiquement utilisé: une enceinte fermée dans laquelle la turbulence est générée par des ventilateurs. L’objectif de ce travail est donc double: 1. caractériser la turbulence générée dans ce type d’enceinte pour vérifier si elle est homogène et isotrope. 2. caractériser finement la combustion, laminaire et turbulente, afin d’enrichir les connaissances dans ce domaine et ainsi améliorer les modèles utilisés. Une première étude sur la propagation des flammes laminaires a été menée. Elle présente les effets de l’étirement et du confinement sur la vitesse de flamme laminaire. La principale difficulté pour la simulation de l’enceinte complète consiste à trouver une méthode numérique permettant de reproduire précisément l’écoulement généré par un ventilateur mais aussi d’en gérer plusieurs simultanément. Deux méthodes ont alors été testées. Premièrement, une méthode type Frontières Immergées a été implémentée dans le code de calcul AVBP. Malgré les bons résultats obtenus sur des cas tests simples, cette méthode ne s’est pas montrée adaptée pour reproduire précisément l’écoulement généré par un seul ventilateur. Une autre approche, provenant du monde du calcul des turbomachines, et basée sur le couplage de codes (appelée MISCOG), a quant à elle démontré ses capacités à le faire et est donc utilisée pour calculer l’écoulement généré par les six ventilateurs à l’intérieur de l’enceinte. L’écoulement non réactif est d’abord analysé: les résultats montrent qu’il existe une zone d’environ 6 cm de diamètre au centre de l’enceinte dans laquelle la vitesse moyenne de l’écoulement est proche de zéro et dans laquelle la turbulence est quasiment homogène et isotrope. Enfin, le pré-mélange de gaz frais est allumé en déposant un noyau de gaz chauds au centre de l’enceinte et la phase de propagation turbulente est analysée. En particulier, il est montré que la température des gaz brulés déposés au moment de l’allumage est un paramètre critique. / Fossil energy is widely used since the 1900s to satisfy the global increasing energy demand. However, combustion is a process releasing pollutants such as CO2 and NOx. One of the major challenges of the 21th century is to reduce these emissions and car manufacturers are involved in this race. To increase fuel efficiency of piston engines, some technical solutions are developed such as ‘downsizing’. It consists in reducing the engine size while maintaining its performances using a turbocharger to increase the trapped mass in the combustion chamber. Unfortunately, downsizing can lead to abnormal combustions: intense cycle to cycle variations can appear, the fresh mixture can auto-ignite (ignition before spark-plug ignition) leading to knock or rumble. Large Eddy Simulation has proven to be a reliable tool to predict these abnormal combustions in real engines. However, such computations are performed using models to predict the flame propagation in the combustion chamber. Theses models are generally based on correlations derived in cases where turbulence is assumed to be homogeneous and isotropic. Defining theoretically or numerically such a turbulence is a simple task but experimentally it is more challenging. This thesis focuses on a apparatus used in most experimental systems: fans stirred vessel. The objective of this work is twofold: 1. characterize the turbulence generated inside the vessel to check wether it is homogeneous and isotropic or not, 2. finely characterize laminar and turbulent combustion in this setup in order to increase the knowledge in this field, and thereby improve models used. First, a laminar flame propagation study has been conducted to address both confinement and curvature effects on the laminar flame speed in a spherical configuration. The main difficulty to perform the simulation of the whole configuration consists in finding a numerical method able to compute accurately the flow generated by one fan and able to handle six fans simultaneously too. Two numerical methodologies have been tested. First an Immersed Boundaries method was implemented. Despite good results obtained on academic test cases, this method was shown to be unadapted to compute accurately the flow generated by one fan. On the other hand, a numerical approach, coming from turbomachinery calculations and based on code coupling (called MISCOG), demonstrates its ability to do it and it is used to compute the flow generated by the six fans inside the closed vessel. Non-reacting flow is first analyzed and reveals a zone at the vessel center of around 6 cm of diameter where mean velocity is near zero and turbulence is almost homogeneous and isotropic. After that, the premixed fresh mixture is ignited depositing a hot gases kernel at the vessel center and the turbulent propagation phase is analyzed. In particular, it is shown that the amount of energy deposited at ignition is a critical parameter.

Le CEA développe et utilise des logiciels de calcul, également appelés codes de calcul, dans différentes disciplines physiques pour optimiser les coûts de ses installations et de ses expérimentations. Lors d'une étude, plusieurs phénomènes physiques interagissent. Un couplage et des échanges de données entre plusieurs codes sont nécessaires.Chaque code réalise ses calculs sur une géométrie, généralement représentée sous forme d'un maillage contenant des milliers voire des millions de mailles. Cette thèse se focalise sur le transfert de déformations géométriques entre les maillages spécifiques de chacun des codes de calcul couplés. Pour cela, elle présente une méthode de couplage de plusieurs codes, dont le calcul des déformations est réalisé par l'un d'entre eux. Elle traite également de la mise en place d'un modèle commun aux différents codes de l'étude regroupant l'ensemble des données partagées. Enfin, elle porte sur les transferts de déformations entre des maillages représentant une même géométrie ou des géométries adjacentes. Les modifications géométriques sont de nature discrète car elles s'appuient sur un maillage. Afin de les rendre accessible à l'ensemble des codes de l'étude et pour permettre leur transfert, une représentation continue est calculée. Pour cela, deux fonctions sont développées : l'une à support global, l'autre à support local. Toutes deux combinent une méthode de simplification et un réseau de fonctions de base radiale. Un cas d'application complet est traité dans le cadre du réacteur Jules Horowitz. L'effet des dilatations différentielles sur le refroidissement d'un dispositif expérimental est étudié. / The CEA develops and uses scientific software, called physical codes, in various physical disciplines to optimize installation and experimentation costs. During a study, several physical phenomena interact, so a code coupling and some data exchanges between different physical codes are required.Each physical code computes on a particular geometry, usually represented by a mesh composed of thousands to millions of elements. This PhD Thesis focuses on the geometrical modification transfer between specific meshes of each coupled physical code. First, it presents a physical code coupling method where deformations are computed by one of these codes. Next, it discusses the establishment of a model, common to different physical codes, grouping all the shared data. Finally, it covers the deformation transfers between meshes of the same geometry or adjacent geometries. Geometrical modifications are discrete data because they are based on a mesh. In order to permit every code to access deformations and to transfer them, a continuous representation is computed. Two functions are developed, one with a global support, and the other with a local support. Both functions combine a simplification method and a radial basis function network. A whole use case is dedicated to the Jules Horowitz reactor. The effect of differential dilatations on experimental device cooling is studied.

Cette thèse s'intéresse à la problématique du contact entre matériaux hétérogènes. L'industrie (automobile, aéronautique, spatiale, ...) s'intéresse de plus en plus à ces types de matériaux. Il s'agira par exemple des alliages métalliques, des matériaux poreux, matériaux composites (composites tissés, interlocks 3D, interlocks 2D), des billes céramiques contenant des impuretés (porosités/précipités),... Dans ce manuscrit, un modèle de contact basé sur les méthodes semi-analytiques a été développé. Un algorithme de gradient conjugué est utilisé afin de résoudre rapidement le problème de contact. Le modèle permet de prendre en compte la présence d'une ou de plusieurs hétérogénéités isotropes/anisotropes dans le problème de contact. Une approche inspirée de la méthode de l'inclusion équivalente proposée par Eshelby est utilisée dans le solveur de contact pour prendre en compte l'effet de ces hétérogénéités. Les méthodes de transformées de Fourier rapides (FFT) permettent d'accélérer les calculs. Une méthode numérique a été mise en œuvre afin de prendre en compte l'interaction entre plusieurs hétérogénéités. Le massif peut être élastique ou viscoélastique. L'approche développée dans la thèse peut résoudre à la fois les problèmes d'indentation, de roulement/glissement ou de fretting en présence de matériaux élastiques hétérogènes, viscoélastiques homogènes ou hétérogènes. Les solutions sont données en termes de champs de pressions, de cisaillements et de contraintes. Dans le cas des matériaux viscoélastiques le code de calcul est capable de fournir le coefficient de frottement apparent ainsi que toutes les variables de contact aussi bien en régime permanent que transitoire. Le modèle a été validé par comparaison avec la méthode des éléments finis classiques en utilisant le logiciel commercial Abaqus v6.11. Le temps de calcul ainsi que l'espace mémoire nécessaire sont considérablement réduits par rapport à la méthode éléments finis. La parallélisation a été introduite dans le code de contact afin de réduire toujours plus le temps de calcul. Il s'agit d'un code robuste, rapide et facilement utilisable en Bureau d'Etudes. Une approche expérimentale originale a été mise en place afin de mesurer les champs de déplacements à l'interface des corps en contact. De bonnes corrélations essais/calculs ont été obtenues. Enfin quelques applications industrielles ont été présentées. Un couplage entre un code éléments finis structurel et le code semi-analytique de résolution de contact a été également réalisé. / The present PhD thesis deals with contact problems between heterogeneous materials. Nowadays heterogeneous materials are extensively used in several industrial domains (automotive, aeronautics, aerospace, ...). Heterogeneous materials involve porous materials, aluminum alloys, composites materials (woven composites, interlocks 3D, interlocks 2D), metallic or ceramics materials containing impurities (porosities/precipitates). In this work, a contact model based on semi-analytical method is proposed. A conjugate gradient algorithm is used for a fast resolution of contact equations. The model can account for one or more isotropic/anisotropic inhomogeneities. An approach taking inspiration from the Eshelby equivalent inclusion method is used in the contact solver to account for the effect of inhomogeneities. 2D and 3D Fast Fourier Transforms (FFT) are used to speed up the computation. A numerical method is implemented in order to take into account interactions between many heterogeneities. The semi-infinite space/ matrix can be either elastic or visco-elastic. The model developed in the present PhD thesis can solve indentation, rolling/sliding or fretting contact problems between heterogeneous elastic materials, homogeneous or heterogeneous visco-elactic materials. In the case of visco-elastic materials, the model permits to get the solution in terms of contact pressure distribution, subsurface stresses, apparent friction coefficient, both in the transient and then steady-state regimes. The model has been validated by performing a comparison with the results of a finite element model. The CPU time and memory necessary are greatly reduced in comparison with the classical finite element method. The model developed is fast, robust and extremely easy to use. An original experimental approach was proposed in order to measure the displacement fields at interface of two contacting bodies. A good agreement between experimental results and numerical simulations is obtained. Finally, the model is applied on some industrial applications. A coupling between a finite element model and the semi-analytical code allow to take into account the effects of structure on contact problem.