Simulation thermohydraulique d'un réservoir d'hydrogène cryogénique H/F

CEA; Saclay; Sur place; EUR 12 000 - 17 000; Plein temps

Résumé du poste

CEA recherche un stagiaire pour évaluer la capacité du code CATHARE-3 à simuler une perte de vide d’isolement d’un réservoir cryogénique, et pour modéliser un banc d’essai expérimental. Le candidat discutera les échanges de chaleur, la phase et les hypothèses des modèles.

Le stage intègre des développements éventuels, l’extension de la validation à des configurations avec des flux thermiques variés et la confrontation avec des données NASA. Localisation: Saclay, Île-de-France.

Qualifications

• Bonnes connaissances en mécanique des fluides et thermohydraulique.
• Notions en écoulements diphasiques appréciées.
• Aisance en programmation; Python et C++ seraient un plus.

Responsabilités

• Modéliser avec CATHARE-3 la configuration d’un banc d’essai simulant une perte de vide d’isolement.
• Réaliser une validation en comparant données expérimentales et résultats numériques.
• Analyser les écarts et les hypothèses des modèles physiques utilisés.
• Proposer l’utilisation d’autres lois physiques et réaliser des développements dans le code CATHARE-3.

Connaissances

Mécanique des fluides

Écoulements diphasiques

Programmation Python

Programmation C++

Formation

Bac+5 - École d'ingénieurs

Master en mécanique des fluides

Outils

CATHARE-3

Python

Description du poste

Contexte

Une 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.

Contexte

Une 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.

Objectifs

L’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

Moyens / Méthodes / Logiciels

CATHARE-3, Python

Profil du candidat

• 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 appréciées. La connaissance des langages Python et C++ seraient un plus.

Localisation du poste

Site : Saclay

France, Ile-de-France, Essonne (91)

Ville : Saclay

Critères candidat

Diplôme préparé : Bac+5 - Diplôme École d'ingénieurs

Formation recommandée : Etudiant/Etudiante en d’école d’ingénieur (2ème ou 3ème année) ou en Master en mécanique des fluides

Possibilité de poursuite en thèse

Non

Demandeur

Disponibilité du poste : 11/01/2027