Une étude expérimentale a été effectuée sur une configuration d'interaction à Mach 2.3 entre un choc incident et une couche limite turbulente (réflexion de choc oblique sur paroi plane) engendrant un décollement suivi d'un recollement, en vue de comprendre les phénomènes physiques mis en jeu dans ce type d'interaction : apparition et entretien de basses fréquences. Pour cela, l'organisation spatiale et temporelle de cet écoulement a été examinée pour différents angles de déflexion du générateur de choc (de 7 à 9.5°). Les données en paroi ou en champ en un ou plusieurs points proviennent de mesures effectuées à l'aide de capteurs de pression ou par anémométrie à fil chaud. L'analyse de ces données a permis de caractériser les différentes zones : le choc réfléchi instationnaire est animé d'un mouvement basse fréquence, avec des longueurs d'excursion variant d'une à deux fois l'épaisseur de couche limite initiale, cette longueur s'atténuant à l'extérieur de la couche. La construction d'une fréquence adimensionnelle associée aux oscillations basses fréquences du choc réfléchi (nombre de Strouhal) a permis de regrouper l'ensemble des résultats ainsi que ceux obtenus dans la littérature pour d'autres configurations d'interaction. Le décollement présente de grandes similitudes avec les décollements subsoniques, avec toutefois certaines spécificités propres à la compressibilité de notre écoulement. L'étude des connexions entre le choc réfléchi instationnaire et le décollement ont permis de revisiter les mécanismes proposés dans des configurations d'interaction différentes qui expliquent la nature de ces liaisons. Par ailleurs, l'organisation transversale du décollement a été explorée à l'aide de mesures effectuées par Vélocimétrie par Images de Particules (PIV) et a mis en évidence, pour les décollements les plus intenses, deux tourbillons contra-rotatifs de type trombe se développant au cœur de la zone de recirculation et dont les fréquences de rotation moyennes déterminées en paroi sont voisines de celles du choc réfléchi.

Les Stations de Transfert de l’Énergie par Pompage (STEP) munies de turbines-pompes réversibles de type Francis (TP) permettent de stocker et de restituer de grandes quantités d’énergie avec des rendements très élevés. Celles-ci apparaissent comme un moyen viable d’assurer la réactivité et la stabilité du réseau électrique vis-à-vis de l’augmentation croissante des sources d’énergie renouvelables intermittentes. Pour répondre aux nouveaux besoins en régulation du réseau électrique, la technologie actuelle des STEP doit être adaptée. Accroître la réactivité requiert d’optimiser les procédures de démarrage et d’arrêt des machines. Dans les quadrants turbine, turbine-frein et pompe inverse, les TP de haute chute ont des courbes caractéristiques présentant la forme d’un « S ». Cette forme particulière peut engendrer des coups de béliers lors des phases d’arrêts d’urgences, exposant les conduites à de sévères surpressions et dépressions. De plus, pour ces points de fonctionnement associés au « S » les écoulements sont fortement instationnaires et induisent des fluctuations de pression responsables de chargements dynamiques sur les parties mécaniques. Les objectifs de ce travail sont la modélisation et la compréhension des phénomènes hydrauliques complexes liés au « S ». Des simulations numériques instationnaires sont réalisées en utilisant le modèle de turbulence SAS-SST. Moins couteux que les modèles LES, ce modèle permet de résoudre d’une partie du spectre turbulent et ainsi de prendre en compte les principaux effets instationnaires. Trois configurations de turbine-pompe de même vitesse spécifique (nq=40) sont étudiées. Une seule (grande) ouverture de directrices est retenue pour chaque configuration. Les points de fonctionnement considérés couvrent une large gamme de conditions d’opération, allant du fonctionnement en régime continu (rendement élevé) jusqu’au débit nul, en passant par le point d’emballement. Les résultats des calculs sont comparés aux mesures expérimentales. La bonne corrélation entre valeurs numériques et expérimentales valide la pertinence du modèle numérique. Les analyses des performances de la machine et des fluctuations de pression permettent d’identifier les régions de l’écoulement associées aux principales instabilités. Enfin, les visualisations de l’écoulement couplées à une étude des mécanismes de dissipation de l’énergie mettent en évidence les principaux phénomènes à l’origine de la forme en « S » des courbes caractéristiques. / Pumped Storage Plants (PSP) using reversible Francis pump-turbines can store large amounts of energy with high efficiency. They therefore appear as a cost-effective tool to provide stability to the energy production network against the intermittency of renewable energy sources. Nevertheless, start-up and shutdown procedures still need to be improved to increase the reactivity of the PSP. Reversible high head pump-turbines have characteristic curves that exhibit an S-Shape in the turbine, turbine-brake and reverse pump quadrants. This S-Shape may be responsible for surge transient phenomena in the case of an emergency shutdown (for large guide vane opening). Moreover, for operating point in the S-Shape region, the flow is highly unsteady and leads to a high level of pressure fluctuations and strong dynamic loadings on the mechanical parts. The objective of the current work is to perform a comprehensive study of the complex hydraulic phenomena linked with the S-Shape. Unsteady numerical computations are carried out using the turbulence model SAS-SST. Such a model can resolve part of the turbulent spectrum while maintaining affordable computational cost. It therefore offers an interesting alternative to more expensive LES computations. Three different configurations of pump-turbine with the same specific speed (nq=40) are investigated. Several operating conditions from optimal efficiency point to zero discharge condition for a given large guide vane opening are studied. Numerical results show good agreement with the experimental data. Accuracy of the numerical model is thus assessed. The investigations of the global performances of the pump-turbine and the pressure pulsations help to identify the region of the flow which are associated with the main instabilities. Finally, flow visualizations linked with the analysis of the mechanisms of energy dissipation reveal the major flow phenomena at the origin of the S-Shape.

Les vibrations induites par l'écoulement dans le coeur du REP peuvent provoquer une usure par frottement des crayons combustibles par friction au niveau des contacts entre la cellule de grille et les crayons des assemblages combustibles. Cela peut entraîner des dommages irréversibles de la gaine du crayon combustible et compromettre la première barrière de sûreté du réacteur. Assurer l'intégrité de la gaine est une préoccupation majeure dans la sûreté du réacteur. Cependant, les spectres d'excitation des forces fluides agissant sur les crayons ne sont pas bien connus. Le but de cette thèse est d'utiliser des éléments géométriques simples pour reproduire des cellules de grilles d'un REP. SGE ont été effectuées sur une conduite annulaire avec différents maillages en utilisant le code TrioCFD. Une étude de sensibilité de maillage a été réalisée afin de proposer un maillage reproduisant correctement les résultats dans la littérature. Ces informations de résolution de maillage ont été utilisées lors de la réalisation des simulations en utilisant divers obstacles géométriques intérieurs à la conduite, i.e., des ailettes de mélange, une grille circulaire et une combinaison de grille carrée et d'ailettes de mélange. Un maillage hybride a été utilisé dans le cas des ailettes de mélange et dans le cas de cellule de grille carrée. Les caractéristiques hydrauliques ainsi que la pression pariétale ont été analysées dans chaque cas. Il apparaît que la grille carrée est une combinaison approximative du cas des ailettes de mélange et du cas de la grille circulaire. Les simulations ont été comparés avec des mesures réalisées au CEA / Flow-induced vibrations in the pressurized water reactor core can cause fretting wear in the fuel rods. Due to friction, wear occurs at the contact locations between the spacer grid and the fuel rod. This may compromise the first safety barrier of the nuclear reactor by damaging the fuel rod cladding. In order to ensure the integrity of the cladding, it is necessary to know the random fluctuating forces acting on the rods. However, the spectra for these fluid forces are not well known. The goal of this thesis is to use simple geometrical elements to check the reproducibility of realistic PWR spacer grids. As a first step, LES were performed on annular pipe for different mesh refinements using the CFD code TrioCFD. A mesh sensitivity study was performed to propose a good mesh for reproducing standard literature results. This information on mesh resolution was used when carrying out simulations using various geometric obstacles inside the pipe-mixing vanes, circular spacer grid and a combination of square spacer grid with mixing vanes. Structured mesh was generated for the annular pipe case and circular grid case. An innovative hybrid mesh was used for the two remaining cases of the mixing vanes and the square grid; keeping unstructured mesh around the obstacles and structured mesh in the rest of the domain. Both hydraulic and wall pressure characteristics were analyzed for each case. The results for the square grid case were found to be an approximate combination of the mixing vane case and circular grid case. Simulation results were compared with experiments performed at CEA Cadarache. Some preliminary comparisons were also made with classical empirical models.

Abstract: The thesis work is part of a project that aims to develop a reliable CFD model to investigate the fluid-dynamics of a fluidized bubbling bed during gasification of refuse derived fuel (RDF) from sorted municipal solid waste (MSW). Gasification is a thermochemical process that converts carbon-containing materials into syngas. In this specific context scaling up is challenging because it implies dealing with a complex chemistry combined to heat and mass transfer phenomena in a multi-phase fluid environment. CFD modeling could represent a potential tool to predict the impact of the reactor configuration and operating conditions on gas yield, composition and potential contaminants. Validation of CFD simulations for such systems has been so far possible using different sophisticated experimental tools, allowing to link the model with experimental data. However, such high tech equipment may not always be available, especially at industrial scale. Hence, this work focuses on investigating the accuracy and numerical sensitivity of two different CFD models employed in the characterization of dense solid-particle flows in bubbling fluidized beds. The key parameter adopted to describe and quantify the dynamic behavior of this multiphase system is the power spectral density (PSD) distribution of pressure fluctuations. This PSD function was used to assess the accuracy of CFD models using one set of operating condition. The same type of analysis, extended to a wider range of operating conditions, may lead to a robust validation of the numerical models presented in this work. In spite of his measurement simplicity, pressure drop data present a strong connection with the bed fluid-dynamics and its interpretation could help to improve the fluidized bed technologies very fast, pushing CFD models closer to applications. / Résumé : Le but de ce projet est de développer un modèle CFD fiable pour étudier la dynamique des fluides d'un lit fluidisé en régime bullant pendant la gazéification de combustibles solides de récupération (CSR) triés à partir de déchets solides municipaux (DSM). La gazéification est un processus thermochimique qui convertit les matériaux contenant du carbone en gaz de synthèse. La mise à l'échelle est difficile dans ce cas car elle implique une chimie complexe combinée aux phénomènes de transfert de chaleur et de masse dans un environnement fluide multiphasique. La modélisation CFD représente un outil potentiel pour prédire l'impact de la configuration du réacteur et des conditions de fonctionnement sur le rendement, la composition et les contaminants potentiels du gaz. La validation des simulations CFD pour de tels systèmes a été jusqu'à présent possible grâce à l’utilisation de différents outils expérimentaux sophistiqués, permettant de lier le modèle aux données expérimentales. Toutefois, un tel équipement de pointe n’est pas toujours disponible, en particulier à l'échelle industrielle. Par conséquent, ce travail se concentre sur l'étude de la précision et de la sensibilité numérique de deux modèles CFD différents, utilisés dans la caractérisation des flux de particules solides denses dans les lits fluidisés bouillonnants. Le paramètre clé adopté pour décrire et quantifier le comportement dynamique de ce système multiphase est la distribution de la densité spectrale de puissance (DSP) des fluctuations de pression. La fonction DSP a été utilisée pour évaluer la précision des modèles CFD en utilisant un ensemble de conditions de fonctionnement. Le même type d'analyse, étendu à une plus large gamme de conditions de fonctionnement, peut conduire à une validation robuste des modèles numériques présentés dans ce travail. En dépit de sa simplicité de mesure, les données de chute de pression présentent une importante corrélation avec les lits fluidisés, de plus, leur interprétation pourrait aider à améliorer ces technologies très rapidement, poussant les modèles CFD plus près des applications.