Réacteurs nucléaires : de la simulation aux simulateurs - CEA

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(suite)Il faut donc se résoudre, en s’appuyant sur le caractère fluctuant dûà l’agitation turbulente, à définir et utiliser des moyennes. Une desapproches les plus répandues consiste à aborder le problème sousun angle statistique. Les moyennes d’ensemble de vitesse, de pression,de température… dont la distribution caractérise l’écoulementturbulent sont définies comme les variables principalesde l’écoulement qu’on cherche à qualifier par rapport à cesmoyennes. Ceci conduit à une décomposition du mouvement (ditede Reynolds) en champs moyen et fluctuant, ce dernier mesurantl’écart instantané et local entre chaque grandeur réelle et samoyenne (figure). Ces fluctuations représentent la turbulence etcouvrent une partie importante du spectre de Kolmogorov (1) .Cette opération réduit considérablement le nombre de degrés deliberté du problème et le rend « manipulable » informatiquement.Elle comporte aussi de nombreuses difficultés : il faut tout d’abordconstater que, précisément en raison des non-linéarités des équationsdu mouvement, toute moyenne fait surgir des termes nouveauxet inconnus qu’il faut estimer. En fermant la porte à la descriptioncomplète et déterministe du phénomène, on ouvre cellede la modélisation, c’est-à-dire à la représentation des effets de laturbulence sur les variables moyennes.Beaucoup de progrès ont été accomplis depuis les premiersmodèles (Prandtl, 1925). Les modélisations n’ont cessé d’évoluervers plus de complexité, se basant sur le fait généralement vérifiéque toute nouvelle extension permet de conserver les propriétésantérieurement acquises. Il faut aussi constater que, même(1) On peut faire référence à la répartition spectrale de l’énergie cinétiqueturbulente, connue comme le “spectre de Kolmogorov”, qui illustrede manière très simple la hiérarchie des échelles, des grandes échelles porteusesd’énergie aux échelles de plus en plus petites et de moins en moinsénergétiques.(2) Cette étendue est le résultat des non-linéarités des équations du mouvementqui donne naissance à une gamme étendue d’échelles spatialeset temporelles. Cette gamme est une fonction croissante du nombre deReynolds, Re, mesurant le rapport entre force d’inertie et force visqueuse.(3) L’hypothèse selon laquelle la résolution complète des équations deNavier-Stokes permet la simulation de la turbulence est généralementadmise, tout du moins dans la gamme des écoulements sans choc.(4) Il s’agit d’un problème régi par des conditions initiales et aux limites.Fsi de nombreux développements remettent en avant la nécessitéde traiter les écoulements en respectant leur caractère instationnaire,les modélisations les plus populaires ont été développéesdans le cadre des écoulements stationnaires, pour lesquelson n’accède donc qu’à une représentation de la moyennetemporelle de l’écoulement : dans le modèle mathématique final,les effets de la turbulence proviennent ainsi intégralement de lamodélisation.Il est également remarquable que, malgré de nombreux travaux,aucune modélisation n’est aujourd’hui capable de rendre compte del’intégralité des phénomènes qui influencent la turbulence ou sontinfluencés par elle (transition, instationnarité, stratification, compression,etc.). Ce qui semble pour l’instant empêcher les modélisationsstatistiques de nourrir une ambition d’universalité.Malgré ces limitations, la plupart des modélisations statistiquescourantes sont maintenant disponibles dans les codes commerciauxet les outils des industriels. Il n’est pas possible de prétendrequ’elles permettent des calculs prédictifs dans toute situation.Leur précision est variable, offrant des résultats utiles pourl’ingénieur dans des situations maîtrisées et favorables (prédictionde la trainée avec une précision de 5 % à 10 % d’erreur [parfoismieux] sur certains profils), mais parfois faux dans des situationsqui se révèlent, après coup, en dehors du champ de validitédu modèle. Tout emploi maîtrisé d’une modélisation repose doncsur une qualification particulière au type d’écoulement à traiter.Des modélisations alternatives, répondant au besoin d’une plusgrande précision sur des gammes d’échelles spatiales et temporellesplus étendues et donc basées sur un opérateur de “moyenne”d’une nature différente, sont actuellement en développement etreprésentent des voies nouvelles.Le paysage des modélisations de la turbulence est aujourd’huitrès complexe et l’unification des points de vue et des diversconcepts de modélisation est une gageure. La tentation de l’universalitédes modélisations reste donc hors de propos. Leur miseen œuvre réelle relève la plupart du temps de compromis généralementguidés par le savoir-faire de l’ingénieur.Frédéric DucrosDirection de l’énergie nucléaireCEA centre de Grenoble
Expériences analytiques et expériences globalesDPour comprendre et approfondir les connaissances, des expériencesportant prioritairement sur l’étude d’un seul phénomènesont d’abord réalisées, souvent à taille réduite. Ces expériencesdites analytiques, élémentaires ou détailléespermettent d’évaluer individuellement chaque phénomène, oudu moins d’étudier des effets séparés en essayant de limiterl’influence d’autres phénomènes. Leurs résultats sont ensuiteintégrés sous forme de données utilisées par les modèlesphysiques dans des codes (logiciels) de calcul.Dans le domaine nucléaire, l’équation de bilan des neutronsdans un réacteur à fission (équation de Boltzmann) fournitun exemple de linéarité ; ainsi, une expérience menée sur unréacteur critique de basse puissance tel Éole est représentativede configurations rencontrées dans les réacteurs électrogènespour des paramètres clefs de leur dimensionnementcomme la distribution de puissance ou l’efficacité des absorbants.En revanche, la physique de la fusion thermonucléaireest non linéaire : il est donc impossible d’extrapoler comptetenu du fait que des seuils doivent être franchis.Les expériences prenant en compte l’ensemble des phénomènesélémentaires et donc – ce qui est essentiel – de leurs interactionssont qualifiées d’expériences globales ou encore “système”.Leur objectif est de reproduire, éventuellement à échelle réduitemais avec tous les éléments du système étudié, l’enchaînementdes processus physiques (le cas échéant, chimiques et biologiques)essentiels qui caractérisent leur fonctionnement, aussibien dans des conditions normales que dans des conditions “auxlimites”, voire hors de ces limites (situations accidentelles, parexemple avec la boucle Bethsy en thermohydraulique et le réacteurCabri en thermomécanique du combustible). Ces expériencesfont apparaître les effets système et rendent possiblel’acquisition de données ainsi que l’établissement de critères etsont nécessaires pour vérifier que les logiciels de calcul intégranttoutes ces connaissances rendent bien compte de la réalité.
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