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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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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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Conclusion
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4. Enjeux d’innovation des simulations numériques
4.1 Calculs numériques plus efficients et plus précis
4.1.1 Performances grandissantes des méthodes numériques
L’un des enjeux en CFD industrielle est de calculer des écoulements autour d’objets de grande taille, avec une résolution suffisamment fine pour pouvoir capter les détails de la dynamique turbulente. Résoudre l’équation de Navier-Stokes demande dans ce cas des maillages très fins, en particulier à proximité de la paroi. Dans certaines configurations d’écoulement, la taille des modèles à mettre en œuvre dans un calcul devient un obstacle à la mise en œuvre de simulations pour des applications industrielles.
Des simulations fondées sur d’autres modélisations que celle contenue dans les équations de Navier-Stokes permettent d’alléger le coût de calcul tout en conservant des maillages aussi fins. La méthode de Boltzmann sur réseau (ou Lattice Boltzmann Method – LBM) est, par exemple, une alternative possible. Très utilisée pour les simulations d’écoulements compressibles tels que rencontrés en aéronautique et en automobile, elle s’est développée dans ces secteurs au cours de la décennie 2010-2020.
La méthode LBM, dont le développement a bénéficié des innovations en calcul HPC, offre aux ingénieurs la possibilité de simuler finement des écoulements, à des temps de modélisation et de calcul acceptables pour des applications industrielles, et se positionnent ainsi entre :
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les simulations RANS qui donnent, à coûts de calculs compatibles avec les délais de projets, de bons résultats pour évaluer les caractéristiques globales des écoulements, mais qui trouvent leurs limites dans la détermination précise des spectres pariétaux ;
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les simulations LES, qui donnent des résultats de calcul plus fins et plus précis, cependant très coûteuses en temps de modélisation et de calcul.
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L’équation de Boltzmann correspond à une description mésoscopique, intermédiaire entre :
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une description microscopique, qui représente les interactions entre des particules de fluide, comme des gaz, et demande...
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Enjeux d’innovation des simulations numériques
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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1/ Quiz d'entraînement
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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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