Simulation thermohydraulique d'un réservoir d'hydrogène cryogénique

Thermohydraulique et mécanique des fluides Simulation thermohydraulique d'un réservoir d'hydrogène cryogénique H/F Simulation thermohydraulique avec le code CATHARE-3 de l'écoulement dans un réservoir d'hydrogène cryogénique pour les transports décarbonés. Ce stage offre une expérience concrète de recherche appliquée en modélisation thermohydraulique, dans un contexte d'amélioration d'un code de simulation numérique industriel. Il permet de contribuer aux enjeux liés à la sécurité des systèmes cryogéniques et la transition énergétique. Les résultats obtenus pourront aider à améliorer la fiabilité des réservoirs d'hydrogène liquide en vu du déploiement de l'hydrogène dans les transports, en lien direct avec des problématiques de la propulsion spatiale. Le travail consistera principalement à : - modéliser un banc d'essai d'expérimental de réservoir cryogénique ; - comparer les résultats des expériences et simulations ; - analyser les écarts et proposer des améliorations des modèles physiques ; - éventuellement, développer ces améliorations dans le code CATHARE-3. ContexteUne utilisation de plus en plus répandue de l’hydrogène liquide (LH2), notamment pour la mobilité décarbonée (aviation, transport terrestre lourd,…), soulève des enjeux en matière de sûreté étant donné son caractère fortement inflammable. Un des accidents majeurs des systèmes cryogéniques est la pénétration d'air suite à une rupture de l'enveloppe externe d'un réservoir isolé sous vide. L'hydrogène étant stocké à des températures proches de -250°C, lors d’un tel événement, les gaz de l'air se liquéfient et se solidifient sur les parois. Ceci provoque un fort apport de chaleur à l'hydrogène et une brutale surpression du système. Les organes de protection et la conduite de décharge doivent être dimensionnés de manière à évacuer le fluide cryogénique en toute sûreté et éviter tout risque d'explosion.Dans ce contexte, le CEA réalise des travaux de recherche pour pouvoir mieux modéliser ce genre de scénario. A cette fin, l’utilisation de l’outil de simulation CATHARE-3 [1], développé au CEA, semble pertinente. Il s’agit d’un code de thermohydraulique à échelle système, utilisé largement dans l’industrie nucléaire depuis plusieurs décennies pour les études de sûreté. Son champ d’application a été ouvert progressivement à d’autres domaines et en particulier aux technologies cryogéniques.ObjectifsL’objectif principal du stage est d’évaluer la capacité du code CATHARE-3 à simuler un scénario de perte de vide d’isolement d’un réservoir. Pour cela, le ou la stagiaire devra modéliser avec CATHARE-3 la configuration d’un banc d’essai simulant expérimentalement une perte de vide d’isolement. Un travail de validation sera ensuite mené en comparant les données expérimentales aux résultats numériques obtenus. Pour interpréter les écarts, le stagiaire devra s’intéresser aux modèles physiques utilisés par le code et s’interroger sur les hypothèses qu’elles sous-tendent. Il s’agira notamment de comprendre comment sont modélisés les échanges de chaleur entre la paroi et le fluide cryogénique, ainsi que les changements de phase. Selon l’avancement, le stagiaire pourra être amené à proposer l’utilisation d’autres lois physiques issues de la bibliographie et réaliser les développements informatiques pour les implémenter dans le code CATHARE-3. Il pourra aussi être intéressant d'étendre la validation à des configurations avec des flux de chaleur plus faibles, que l'on rencontre en situation non-accidentelle, en s'appuyant par exemple sur les mesures les essais K-site ou MHTB de la NASA [3]. Références[1] Site internet du code CATHARE : https://cathare.cea.fr [2]  F. Wang, T. Jordan, et J. Xiao, « Non-Equilibrium Liquid Hydrogen Tank Modeling When Thermal Insulation Fails », Hydrogen Safety, 2025, doi: 10.58895/hysafe.35[3] L. Hastings et al., « Spray bar zero-gravity vent system for on-orbit liquid hydrogen storage », NASA, TM-2003–212926, 2003. https://ntrs.nasa.gov/api/citations/20040000092/downloads/20040000092.pdf - Le stagiaire devra avoir de bonnes connaissances en mécanique des fluides. Des notions en thermohydraulique et sur les écoulements diphasiques seraient appréciées.- Une aisance et un goût pour la programmation seraient également appréciés. La connaissance des langages Python et C++ seraient un plus.