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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)
-
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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5. Conclusion
La simulation numérique se généralise dans l’industrie et elle devient un outil d’aide à la conception de nombreux systèmes mécaniques, en complément de données et de règles de dimensionnement issues de résultats expérimentaux ou construits à l’aide de modèles analytiques. Les calculs opérés à l’aide de codes de dynamique des structures et de dynamique des fluides – parfois couplés ou chaînés afin de représenter les effets d’interaction fluide-structure – permettent de comprendre, de prédire ou d'anticiper certains phénomènes vibratoires rencontrés dans des capacités nucléaires (échangeurs de chaleur, cœurs de réacteur).
Des innovations notables, concernant en particulier la modélisation des interactions fluide-structure, ont rendu possibles et accessibles à l’ingénieur des simulations couplées. Dans le contexte réglementaire applicable à l’industrie nucléaire, ces méthodes de simulation répondent aux exigences des autorités de sûreté en matière de validation et de vérification, applicables à toute nouvelle méthode. D’autres innovations sont en cours de développement, pour l’instant dans le monde académique (ou au sein de centres de recherche et d’expertise), permettant d’accroître la précision des calculs, de réduire les temps de simulations ou de les opérer avec des ressources computationnelles moindres. Parmi celles-ci, les techniques de réduction de modèle, permettant de réduire les temps de calcul de façon significative, ouvrent la voie à une conception plus optimisée et plus robuste des structures, permettant de résoudre des problèmes d’optimisation ou de rendre compte de la dépendance paramétrique des calculs.
Certaines simulations se heurtent à des limites matérielles ; pour le calcul de spectres de pression, par exemple, les simulations numériques peuvent rapidement devenir coûteuses – voire inaccessibles ! Entre modèles analytiques et numériques, une voie médiane (et hybridant par exemple algorithmes d’apprentissage à partir de données de simulations et d'algorithmes de calcul scientifique) reste souvent à trouver afin de proposer des modélisations optimales.
Les simulations de demain s’accompliront-elles à coûts de calcul réduits ? Se passeront-elles d’équations (pour n’utiliser que des données) ? Ces questions, certes très spéculatives,...
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Conclusion
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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