Etude numérique de la convection de Rayleigh-Bénard dans une cavité cubique

Depuis l'accident nucléaire de Fukushima, de nombreuses recherches sont menées pour comprendre les différentes phases de refroidissement du combustible nucléaire usé stocké dans les piscines de désactivation. En particulier, ces études se concentrent sur la compréhension des phénomènes physiques mis en jeu lors d'un accident de perte de refroidissement de ces combustibles, notamment à l'aide de modèles simplifiés. Dans ce travail de fin d'études, nous avons étudié, à l'aide d'outils numériques, le phénomène de convection naturelle de Rayleigh-Bénard dans une cavité cubique remplie d'eau, chauffée par sa paroi inférieure, et dont les parois latérales sont parfaitement conductrices. L'analyse a été menée pour trois nombres de Rayleigh (Ra=10^4, Ra=5*10^4 et Ra=10^7). L'écoulement est d'abord laminaire et stationnaire, mais l'augmentation du nombre de Rayleigh rend progressivement l'écoulement turbulent. Les équations de Naviers-Stockes ont été résolues avec deux solveurs du logiciel OpenFOAM basé sur la méthode des volumes finis: buoyantBoussinesqPimpleFoam et buoyantPimpleFoam. Le premier utilise les hypothèses de Boussinesq dans les équations de conservation, le second prend en compte la variation des propriétés physiques du fluide avec la température. Une comparaison des résultats fournis par ces deux solveurs est présentée. Pour le cas turbulent, nous avons utilisé une simulation LES basée sur le modèle de Smagorinsky-Lilly. Les résultats obtenus sont également comparés à d'autres résultats numériques trouvés dans la littérature ainsi qu'à des données expérimentales. La comparaison montre que les résultats sont cohérents pour les configurations à nombre de Rayleigh modérés (Ra=10^4 et Ra=5*10^4). Le calcul des transferts thermiques et des profils de vitesse montrent des résultats satisfaisants. Les résultats à nombre de Rayleigh élevé (Ra=10^7) ne sont pas tout à fait en accord avec les conclusions des études de référence. Les points d'amélioration à apporter pour ce cas sont détaillés dans ce rapport.