Thèse Simulation Numérique des Interactions Fluide-Structure avec Contact Sous Écoulement Via une Méthode Penalized Direct Forcing H/F

Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Sciences de l'ingénierie et des systèmes École doctorale : Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences Laboratoire de recherche : CEA/STMF - Service de Thermohydraulique et de Mécanique des Fluides Direction de la thèse : Maria Adela PUSCAS ORCID 0000000193172909 Début de la thèse : 2027-01-04 Date limite de candidature : 2026-12-31T23:59:59 Ce travail de thèse s'inscrit dans le cadre de l'étude de la dynamique des assemblages combustibles soumis à un écoulement axial et à une excitation mécanique externe, notamment de type sismique. L'objectif est de développer une approche numérique innovante permettant de prédire avec précision la réponse dynamique d'un ou plusieurs assemblages en trois dimensions, en tenant compte des effets couplés entre l'écoulement du fluide et les sollicitations mécaniques. Ce problème est particulièrement complexe en raison de la nécessité de prendre en compte des déplacements importants, des contacts éventuels entre structures et des interactions fortes avec le fluide environnant. Ce travail de thèse s'inscrit dans le cadre de l'étude de la dynamique des assemblages combustibles soumis à un écoulement axial et à une excitation mécanique externe, notamment de type sismique. L'objectif est de développer une approche numérique innovante permettant de prédire avec précision la réponse dynamique d'un ou plusieurs assemblages en trois dimensions, en tenant compte des effets couplés entre l'écoulement du fluide et les sollicitations mécaniques. Ce problème est particulièrement complexe en raison de la nécessité de prendre en compte des déplacements importants, des contacts éventuels entre structures et des interactions fortes avec le fluide environnant.

Deux phénomènes physiques d'intérêt guideront les développements : i) l'amortissement induit par le fluide sur les vibrations des structures immergées,
et ii) l'effet de la présence d'un fluide dense, stagnant ou en écoulement, sur les forces d'impact entre deux structures proches du contact. Ces mécanismes, encore mal compris à l'échelle locale, sont pourtant essentiels pour la sûreté des systèmes, notamment en situation transitoire accidentelle où l'intégrité structurelle doit être garantie malgré des sollicitations extrêmes.



Pour traiter ce type de problème, la méthode dite de frontière immergée (Immersed Boundary Method) est envisagée, et en particulier les approches Direct Forcing et Penalized Direct Forcing. Cette technique permet de représenter des structures immergées sur une grille fixe, sans avoir à reconstruire un maillage conforme à chaque déplacement. Elle est particulièrement adaptée aux problèmes impliquant des mouvements complexes et des contacts multiples. L'un des verrous numériques à traiter dans ce contexte est la gestion des cellules dites 'mortes', qui correspondent à des mailles initialement fluides devenant subitement solides à la suite d'un mouvement de la structure. Ce changement brutal peut introduire des erreurs numériques importantes qu'il convient de corriger de manière stable et précise.

Les travaux de thèse viseront à améliorer le schéma PDF existant dans le code TrioCFD, en rendant le calcul des efforts hydrodynamiques plus fidèle à la réalité physique et en le testant en profondeur en situation de contact. L'interaction fluide-structure résultera d'un couplage dynamique avec un solveur structure, permettant ainsi de bien représenter la rétroaction entre les milieux.

Le développement d'un couplage partitionné entre le solveur fluide TrioCFD et un code de mécanique externe sera réalisé pour gérer de manière souple et stable les interactions mécaniques sous écoulement, y compris lors du contact. Il s'inspirera du couplage existant et mis en oeuvre dans le cas de la gestion ALE des frontières mobiles. Avant d'arriver au couplage final, le modèle de poutres intégré à TrioCFD permettra de prototyper avantageusement les nouveaux algorithmes de couplage fluide-structure intégrant la gestion des frontières immergées.
Ce dernier est actuellement inaccessible avec les méthodes de type ALE (Arbitrairement Lagrangienne Eulérienne). Ces dernières pourront toutefois être mises à profit en les poussant à leur limite jusqu'à la proximité du contact, dans la recherche générale de solutions de référence, à conduire pour valider le nouveau formalisme numérique proposé. À terme, cette thèse vise à fournir un outil numérique robuste et prédictif, capable de reproduire avec un haut niveau de fidélité les phénomènes d'interaction fluide-structure dans des configurations complexes. L'objectif est de développer une approche numérique innovante permettant de prédire avec précision la réponse dynamique d'un ou plusieurs assemblages en trois dimensions, en tenant compte des effets couplés entre l'écoulement du fluide et les sollicitations mécaniques. Ce problème est particulièrement complexe en raison de la nécessité de prendre en compte des déplacements importants, des contacts éventuels entre structures et des interactions fortes avec le fluide environnant.
Théorie, numérique, expériences