Ecoulements liquide/vapeur : des prédictions fiables, à -250 comme à 1 200° C

Diphasique > Grâce à l'expertise en thermohydraulique acquise sur les études de sûreté nucléaire, et synthétisée par exemple dans le logiciel CATHARE, le CEA est en mesure de prédire le comportement d'écoulements liquide/vapeur en conditions extrêmes de température ou de pression ; celles, précisément, où les logiciels de simulation généralistes affichent leurs limites... L'exemple le plus spectaculaire de ce savoir-faire concerne les moteurs cryotechniques d'Ariane 4 et Ariane 5, dont la simulation a été menée par étapes entre 1988 et 1998. D'autres applications sont possibles, par exemple le stockage de gaz liquides ou les procédés chimiques.

Les écoulements diphasiques, comme la plupart des écoulements, peuvent être décrits par des logiciels du commerce. Mais pas question de garantir une précision suffisante dans les conditions très variées (décompression de l'eau à 150 bars et 300° C) qui caractérisent l'accident nucléaire de référence. Pas plus que les écoulements d'hydrogène liquide ou gazeux des moteurs cryogéniques d'Ariane, sur lesquels le CEA a travaillé dix ans à la demande de la SNECMA et du CNES. "Il a fallu passer de 300° à -250° C, et de l'eau à l'hydrogène, explique Bertrand Spindler, l'un des responsables de ces travaux. Mais nous avions acquis la physique de base, qui était strictement identique".
L'objectif premier de la SNECMA était de fiabiliser l'allumage du moteur cryogénique d'Ariane 4, qui se déclenche en vol. Principale difficulté de la simulation : l'hydrogène injecté dans la chambre de combustion dépasse sa pression critique de 13 bars, et devient donc supercritique... "Au lieu d'un changement de phase entre liquide et gaz, avec basculement franc des propriétés physiques, nous nous trouvions devant une transition entre les états liquide et gazeux et l'état supercritique où ces deux états sont confondus." Résultat : une modélisation plus délicate que pour un écoulement diphasique ordinaire. Ce qui n'empêcha pas le CEA de proposer une première version du logiciel Sidhony en moins de deux ans.
La construction de Mhynos, un banc d'essai dédié, permit les années suivantes de procéder à des validations expérimentales et d'améliorer le logiciel de simulation. "Essais et développements logiciels étaient menés dans le même service, insiste Bertrand Spindler, ce qui permettait un dialogue indispensable entre expérimentateurs et développeurs de modèles et de logiciels". A titre d'exemple, le choix du degré de précision à atteindre était fait d'un commun accord, et répondait ainsi aux exigences des uns et des autres.
C'est ainsi que la SNECMA put analyser la phase de démarrage du moteur d'Ariane 4, puis appliquer le logiciel Sidonhy au moteur Vulcain d'Ariane 5. Pour cette tâche, une extension des propriétés physiques de l'hydrogène jusqu'à 1000 bars et 1200° C fut nécessaire.
La SNECMA s'est totalement appropriée le logiciel Sidhony, pour lequel elle sollicite encore le CEA en maintenance et en formation. Un autre projet de collaboration important est par ailleurs à l'étude. Mais côté CEA, l'heure est aussi à la recherche d'autres partenaires, comme ce fut le cas dans le passé pour un stockage de gaz liquide. L'industrie chimique, soumise à une pression intense, figure vraisemblablement parmi les secteurs les plus concernés.