Transferts de masse et d'énergie aux interfaces liquide / vapeur avec changement de phase : proposition de modélisation aux grandes échelles des interfaces

La modelisation des transferts thermiques en ecoulements diphasiques est l'une des pierres angulaires de l'etude de la surete des reacteurs nucleaires. A l'echelle du reacteur, elle repose sur des correlations experimentales. L'utilisation croissante de la mecanique des fluides numerique pour les etudes de surete renforce la demande d'expertise dans les outils de simulation, en particulier du point de vue de la modelisation. En soutien aux modeles moyennes a deux fluides, nous souhaitons apporter des informations de fermetures locales pour considerer la physique des transferts interfaciaux et les effets 3D. Pour cela, comme la resolution directe des equations de bilan locales par SND est trop couteuse, nous souhaitons developper un outil de SGE diphasique pour modeliser les petites echelles turbulentes et les petites deformations interfaciales. Comme le changement de phase est a l'origine de l'ecoulement diphasique pour les applications visees, nous etendons dans ce memoire le modele Interfaces and Subgrid-Scales (ISS, Toutant et al., 2009a) aux interfaces avec changement de phase, pour lesquelles l'hypothese de continuite de la vitesse a l'interface n'est plus valable. Le suivi explicite des interfaces permet d'evaluer precisement les transferts comme le taux de transfert de masse. Dans un premier temps, nous etablissons une description mesoscopique du probleme ou l'interface est diffuse en filtrant les equations locales instantanees et en modelisant les transferts sous-filtres aux interfaces. Les principales difficultes de modelisations proviennent (i) de la determination de la vitesse de l'interface, (ii) de l'effet de la discontinuite des vitesses sur les modeles sous-maille, (iii) de la discontinuite du flux et (iv) de la condition de saturation de l'interface. Les modeles proposes sont qualifies a priori en observant leur prediction par filtrage explicite de solutions de SND. Dans un deuxieme temps, nous etablissons un systeme macroscopique discontinu equivalent au probleme diffus pour beneficier de l'expertise acquise pour les methodes numeriques de SND. Aux interfaces, les modeles sous-maille sont concentres pour modifier les conditions de raccord entre les phases. Les conditions de saut ainsi determinees montrent que la vitesse de l'interface est affectee par la courbure et par le saut de vitesse. Un saut de vitesse tangentielle est introduit pour modeliser la couche limite dynamique. Sur le plan thermique, nous retrouvons la condition de saturation caracteristique du changement de phase ; le taux de changement de phase ne depend plus uniquement du saut de flux conductif mais, pour pallier la sous-resolution de la couche limite thermique au voisinage de l'interface, nous proposons de lui ajouter la contribution sous-maille des correlations vitesse/temperature. Comme en SGE monophasique, le gain apporte par la modelisation ISS permet d'envisager l'utilisation de simulations fines pour des problemes appliques. C'est la premiere etape d'une demarche multi-echelle pour fournir des fermetures aux modeles moyennes a deux fluides. Nous illustrons son potentiel sur une SND multi-bulles complexe.