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RÉSUMÉ
Le dimensionnement vibratoire de capacités nucléaires est un enjeu technique majeur pour cette industrie. Le fluide contenu par ces structures modifient leur comportement dynamique et est à l’origine d’excitations vibratoires. Cet article propose une introduction générale aux techniques de simulations des interactions fluide/structure, présentant des méthodes accessibles aux ingénieurs ou des approches nouvelles et émergentes, contribuant à améliorer la précision ou la polyvalence des calculs, ou à optimiser les ressources computationnelles nécessaires aux simulations.
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The vibratory design of nuclear capacities is a major technical issue for this industry. The fluid contained in these structures may modify their dynamic behaviour and may induce vibratory excitations. This article provides a general introduction to fluid/structure interaction simulation techniques, presenting methods that are accessible to engineers, as well as new and emerging approaches, which contribute either to improving the accuracy or versatility of calculations, or to optimising the computational resources needed for simulations.
Auteur(s)
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Jean-François SIGRIST : Ingénieur, journaliste scientifique - (eye-π) Tours – France
INTRODUCTION
Éléments mécaniques des centrales de production d’énergie électrique ou de réacteurs de propulsion embarqués, les capacités nucléaires (cœurs de réacteurs, échangeurs de chaleur, etc.) sont dimensionnées selon un cahier des charges fixant des performances d’efficacité, de longévité et de sûreté de fonctionnement. Leur comportement vibratoire fait l’objet d’une attention particulière en phase de conception – et d’exploitation – des centrales et réacteurs.
Les méthodes de dimensionnement vibratoire de ces systèmes sont contraintes par des textes réglementaires, et établies à l’aide de résultats d’essais et de retours d’expérience et validées par des autorités de sûreté. Certaines méthodes se fondent sur des calculs numériques, rendus possibles par le développement et l’amélioration constante des techniques numériques. Dans ce contexte, la simulation numérique est un outil de plus en plus utilisé en phase de conception pour démontrer et pour justifier les performances vibratoires. Cet article, qui s’adresse principalement à de jeunes ingénieurs et chercheurs du domaine, propose un état de l’art succinct des approches analytiques et numériques accessibles pour l’étude des vibrations dans des capacités nucléaires.
Le lecteur trouvera ces références dans la rubrique « Pour en savoir plus » associée à cet article. Une bibliographie supplémentaire et des liens vers des sites internet lui proposent des ressources utiles afin d’approfondir ses connaissances sur le sujet.
Le lecteur trouvera également en fin d'article un glossaire des sigles utilisés.
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KEYWORDS
dynamic analysis | modelling | fluid-structure interaction | nuclear capacities
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Enjeux d’innovation des simulations numériques
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3. Amélioration continue des modèles numériques
3.1 Simulation des interactions fluide-structure
Les décennies passées ont marqué le développement de méthodes numériques pour la simulation des interactions fluide/structure en général, et on compte de nombreuses applications aux capacités nucléaires, qu’elles concernent des études académiques (afin de comprendre les phénomènes en jeu ou d’affiner l’évaluation des risques) ou industrielles (afin de démontrer les performances attendues ou de valider des critères de dimensionnement).
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Les techniques numériques accessibles aux ingénieurs dépendent des types de problèmes rencontrés. On distingue en général deux types de situations (figure 6) :
-
pour les interactions fluide/structure en présence de fluide stagnant (ou au repos), dans lesquelles il s’agit de rendre compte de la présence du fluide et de son influence sur le comportement fréquentielle des structures, les méthodes d’éléments finis restent les plus utilisées. Elles se fondent principalement sur le couplage entre des formulations adaptées à la description des effets d’élasticité (dans les structures) et de compressibilité ou de gravité (dans les fluides) (§ 3.2) ;
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pour les interactions fluide/structure en présence de fluide en écoulement, dans lesquelles il s’agit de rendre compte des effets induites par la dynamique du fluide sur le comportement dynamique des structures, les méthodes de co-simulation restent les plus adaptées. Elles se fondent sur le couplage entre des outils de calcul adaptés à la simulation de chaque sous-problème ; un code de dynamique des structures (CSD), mettant en œuvre la méthode des éléments finis par exemple, et un code de dynamique des fluides (CFD), mettant en œuvre la méthode des volumes finis par exemple (§ 3.3).
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Selon la nature physique du couplage, les stratégies de simulations pourront être adaptées (figure 6),...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - PETTIGREW (M.J.), TAYLOR (C.E.) - Vibration Analysis of Shell-and-Tube Heat Eexchangers : An Overview – Part 1 : Flow, Damping, Fluidelastic Instability/Part. 2 : Part 2 : Vibration Response, Fretting-wear, Guidelines. - Journal of Fluids and Structures, 18, p. 469-483/485-500 (2003).
-
(2) - LIU (L.), et al - The Fluidelastic Instability of Concentric Arrays of Tube Bundles Subjected on Cross-Flows, Pressure Vessel and Piping. - Prague (2018).
-
(3) - BLEVINS (R.D.) - Formulas for Natural Frequency and Mode Shape. - Krieger (2001).
-
(4) - SIGRIST (J.F.), GARREAU (S.) - Dynamic Analysis of Fluid-Structure Interaction Problems with Spectral Method Using Pressure-Based Finite Elements. - Finite Element Analysis in Design, 43, p. 287-300 (2007).
-
(5) - SIGRIST (J.F.), BROC (D.) - Dynamic Analysis of a Tube Bundle with Fluid-Structure Interaction Modelling Using a Homogenisation Method. - Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 197, p. 1080-1099 (2008).
- ...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
« Hybrider la simulation numérique et l’intelligence artificielle » – Inria, 26 septembre 2022.
https://www.inria.fr/fr/hybrider-la-simulation-numerique-et-lintelligence-artificielle
« Immersed Boundary Method » – Science Direct, 2022.
https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/immersed-boundary-method
« Lattice Boltzmann Method » – Science Direct, 2022.
https://www.sciencedirect.com/topics/materials-science/lattice-boltzmann-method
« Vibrations transmises à l’ensemble du corps » – Institut national de recherche et de sécurité,...
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2/ Test de validation
Lorsque vous êtes prêt, vous passez le test de validation. Vous avez deux passages possibles dans un laps de temps de 30 jours.
Entre les deux essais, vous pouvez consulter l’article et réutiliser les quiz d'entraînement pour progresser. L’attestation vous est délivrée pour un score minimum de 70 %.
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