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Modélisation numérique d'un jet flottant air-hélium dans une cavité avec deux évents

Thèse d'Elie SAIKAli, équipe ETCM, le 8 mars à 10h, à l'INSTN, CEA Saclay

Le jury sera composé de:
Bernard-Michel Gilles    Ingénieur CEA    Co-encadrant
Houssin-Agbomson Deborah    Ingénieur Air liquide    Examinateur
Lagrée Pierre-Yves    Directeur de Recherche IJLRA-CNRS Examinateur
Le Quéré Patrick    Directeur de Recherche LIMSI-CNRS Examinateur
Malet Jeanne    Ingénieur IRSN    Rapporteur
Sergent Anne    Maître de conférences UPMC, LIMSI-CNRS Co-encadrant
Tenaud Christian    Directeur de Recherche LIMSI-CNRS    Directeur de thèse
Xin Shihe    Professeur CETHIL-INSA de Lyon    Rapporteur

La soutenance se déroulera en anglais.

Résumé version française:

Nous cherchons à modéliser numériquement un jet flottant air--hélium jet  dans une cavité avec deux ouvertures à partir de simulations aux grandes échelles (LES) et de simulations numériques directes (DNS). La configuration considérée est basée sur une étude expérimentale menée au CEA de Saclay concernant la fuite d'hydrogène en environnement confiné. Cette étude porte principalement sur trois points principaux: l'influence des conditions aux limites sur le développement du jet et son interaction avec l'environnement extérieur, la validité du modèle numérique qui est analysée en comparant la distribution de vitesse obtenue numériquement aux mesures expérimentales (PIV) et, enfin, la compréhension de la distribution de l'air--hélium et le phénomène de stratification qui s'établit à l'intérieur de la cavité. Nous observons dans un premier temps que des conditions limites de  pression constante appliquées directement au raz des évents conduisent à une sous-estimation du débit volumique d'air entrant dans la cavité et donc à une surestimation la masse de l'hélium à l'intérieur de la cavité, ce qui n'est pas acceptable dans un contexte d'évaluation du risque hydrogène. En revanche, la prise en compte, dans le domaine de calcul, d'une région extérieure à la cavité prédit correctement le flux d'air entrant. Les résultats numériques sont alors en bon accord avec les données PIV. Les mesures PIV de fluctuations de vitesse ont mis en évidence la l'intérêt de recourir à des simulations DNS au lieu de LES. Le champ de concentration prédit numériquement présente une zone de couche homogène en haut de la cavité, dont la valeur de concentration est en accord avec le modèle théorique de Linden et al. 1990. Cependant, sa position et son interface diffuse avec la région de fluide lourd ne correspondent pas au modèle. La zone d'interface diffuse entre les deux couches homogènes est analysée au regard des transitions jet/panache et laminaire/turbulente.

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Résumé version anglaise:

We present numerical results from large eddy simulations (LES) and coarse direct numerical simulations (DNS) of  an air--helium buoyant jet rising in a two vented cavity. The geometrical configuration mimics the helium release experimental set-up studied at CEA Saclay in the framework of security assessment of hydrogen--based systems with an indoor usage. The dimension of the enclosure was chosen to ensure a laminar--turbulent transition occurring at about the middle height of the cavity. This study focuses mainly on three key points: the influence of the boundary conditions on the jet development and its interaction with the exterior environment, the validity of the numerical model which is analyzed by comparing the numerical velocity distribution versus the measured particle image velocimetry (PIV) ones, and finally understanding the distribution of air--helium and the stratification phenomenon that takes place inside the cavity. We observe at first that applying constant pressure outlet boundary conditions directly at the vent surfaces underestimates the volumetric flow rate of air entering the enclosure and thus overestimate the helium mass inside the cavity. On the contrary, modelling an exterior region in the computational domain better predicts the air flow-rate entrance and numerical results matches better with the experimental PIV data. The level of velocity fluctuations measured by the PIV illustrated on the interest of carrying out a DNS instead of a LES. Numerical prediction of the helium field depicts a homogeneous layer formed at the top of the cavity, with a concentration figured out to be in good agreement with the theoretical model of Linden et al. 1990. However, the position of the homogeneous layer and its diffusive interface do not correspond to the theoretical predictions. The zone containing the diffusive interface situated between the two homogeneous layers is analyzed by considering both laminar/turbulent and jet/plume transitions.

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