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Lundi 29 Mars 2021 à 9h30 - Impact of coliisionality on the transport and turbulence properties at the plasma edge of a tokamak / Soutenance de thèse Raffaelle Tatali
Doctorant : Raffaelle TATALI

Date de soutenance :  le 29 Mars 2021 à 9h30 en visio

Abstract : Predictive simulations of plasma edge and plasma-wall interaction in tokamaks are necessary for the future working of ITER, but nowadays they still require more work. Collisionality is one of the key parameters in determining turbulent transport in the plasma edge, regulating phenomena such as ”shoulder formation”, separation of scale lengths in the scrape-off layer, turbulence damping and zonal flow dynamics. Understanding its role is therefore of primary importance for future reactors like ITER. Obtaining reliable predictions and a better characterization of plasma flow properties when varying collisionality remains, however, a critical challenge for the simulations. This PhD thesis focuses on the impact of varying collisionality in a nonisothermal three-dimensional fluid model in the plasma edge of a high field side limited configuration with parameters typical of a medium-sized tokamak. Details on mean flow and turbulence properties of a non-isothermal edge plasma encompassing open and closed field lines are given. The results obtained show that changing collisionality leads to significant changes in the flow properties both on the mean and fluctuating quantities. In particular, lowering collisionality decreases the size of coherent structures, the fluctuation levels of turbulence, and steepens the density and temperature equilibrium profiles around the separatrix leading to a global reduction of the turbulent transport. The scrape-off layer (SOL) width is observed to increase with collisionality, eventually resulting in the disappearance of the scale lengths separation between near and far SOL, consistently with previous experimental observations. At low collisionality, where the presence of narrow feature is well-established, a contribution of heat conduction increases up to compete with heat convection.

Jury

M. Rasmussen Jens ( Professeur émérite Denmark Technical University ) Rapporteur
M. Vianello Nicola ( Directeur de recherche Italian National Research Council )   Rapporteur 
M. Theiler Christian ( Professeur assistant EPFL ) 
Mme Vermare Laure ( Chargée de recherche LPP-CNRS ) 
M. Tamain Patrick ( Ingénieur de recherche CEA-IRFM )
M. Ghendrih Philippe ( Directeur de recherche CEA-IRFM  ) 
M. Ciraolo Guido ( Ingénieur de recherche CEA-IRFM  ) 
M. Serre Eric ( Directeur de recherche CNRS-M2P2  )   Direction de thèse 
Mardi 16 Mars à 14h00 - Preparation of polyurea microcapsules calibrated in size and shell thickness by a microfluidic process for the absorption of ultraviolet / Soutenance de thèse Jiupeng DU
Doctorant : Jiupeng DU

Date de soutenance :  le mardi 16 mars à 14h00 en VISIO

Abstract : This thesis aims to exploit the advantages of microfluidics for the production of polyurea microcapsules. Because of its ability to produce drops with a very narrow size distribution, microfluidic emulsification shows great interest as the first step for rapid interfacial polymerisation. Although the literature on the production of drops in microchannels is abundant, commonly used organic solvents are limited to certain toxic hydrocarbon oils or ketones, as these solvents are very hydrophobic and therefore easy to emulsify in water.

The first part of the work concentrates on the feasibility of emulsifying two less hydrophobic green solvents (dibutyl adipate and n-butyl acetate) in water and study the different flow regimes within a hydrophilic flow-focusing microchannel of glass. The results show that the wetting of the walls by dibutyl adipate can be modified by adding a surfactant (Tween 80). However, the formation of the drops being much faster than the transfer of the surfactant to the interface of the drop being formed, concentrations much higher than the critical micellar concentration are necessary to avoid wetting of the walls by the dispersed phase and thus the appearance of disordered flow regimes. The behavior of the n-butyl acetate/water system is similar, but the comparison of the flow maps for the two systems raises the question of the choice of dimensional numbers for representing the transition between the dripping and jetting regimes.

In the second part, the addition of an interfacial polymerization within the emulsion formed by microfluidics is studied in detail. We aim to fabricate polyurea microcapsules calibrated in size and shell thickness containing octyl salicylate (OS). These microcapsules are used to study, for the first time, the influence of the shell thickness of microcapsules on their absorption efficiency against ultraviolet (UV) light. The results show that an increase of the concentration of isocyanate (HDB-LV or hexamethylene diisocyanate biuret) in the organic phase increases the shell thickness of the microcapsules, their encapsulation efficiency and very moderately their average absorbance. The average absorbance of the microcapsules is inversely proportional to the size of the microcapsules (for the same mass of OS). A theoretical model is proposed to estimate the average absorbance as a function of the mass fraction of HDB-LV in the organic phase and of the size of microcapsules. Finally, the concentration of amine (ethylenediamine) has been optimized to ensure the spherical shape of the microcapsules.

Jury:

Marc LEONETTI (CNRS, LRP), Rapporteur
Nathalie LE SAUZE (Univ Toulouse III), Rapportrice             
Christophe Alexandre SERRA (Univ Strasbourg), Examinateur
Stéphane VEESLER (CNRS, CINAM), Examinateur
Pierrette GUICHARDON (ECM, M2P2), Directrice      
Nelson IBASETA (ECM, M2P2), Codirecteur
Jean-Claude HUBAUD (Helioscience), invité
Bruno MONTAGNIER (Capsudev), invité
Vendredi 18 décembre à 10h00 - Instabilités strato-rotationelles : calcul intensif et expérience / Soutenance de thèse Gabriel MELETTI DE OLIVEIRA
Doctorant : Gabriel MELETTI DE OLIVEIRA            
  
Date de la soutenance :  le 18 décembre 2020 à 10h00, au bâtiment AZFD de la Brandenburg University of Technology Cottbus – Senftenberg

Abstract : 

Les vortex en écoulements stratifiés peuvent se manifester à petite et grande échelles dans les applications géophysique et astrophysique. Dans le contexte astrophysique, les disques d’accrétion (à partir desquels les systèmes solaires sont formés) peuvent être considérés comme des tourbillons en milieux stratifiés. En ce qui concerne la formation des planètes, la compréhension des mécanismes qui peuvent entraîner un transport vers l’extérieur du moment cinétique constitue par conséquent un problème central. Pour qu’une planète ou une étoile se forme dans un disque, le moment angulaire doit être transporté loin de son centre afin de permettre l’agrégation de matière par gravité; sinon, sa vitesse de rotation serait beaucoup trop grande pour permettre cette agrégation de matière (et la formation d’étoiles qui en résulte). Dans de tels systèmes constitués de gaz, la turbulence est le mécanisme le plus probable permettant de réaliser un transport de moment angulaire aussi important. Cependant, il a été montré que le profil des écoulements des disques d’accrétion est stable et la question se pose de savoir com-ment la turbulence peut être générée. Parmi les autres candidats, l’instabilité strato-rotationnelle (SRI) a attiré l’attention ces dernières années. SRI est une instabilité purement hydrodynamique qui peut être modélisée par un système classique de Taylor-Couette (TC) avec une stratification stable due à un gradient axial de salinité ou de température. Dans cette thèse, on proposes une étude à la fois expérimentale et numérique en se focalisant sur la mise en évidence de nouveaux comportements spécifiques à l’instabilité strato-rotationnelle (SRI). La stratification axiale provoque un changement de la transition de l’instabilité marginale par rapport au système classique non stratifié TC, rendant l’écoulement instable dans les régions où sans stratification il resterait stable. Cette caractéristique fait de l’instabilité SRI un phénomène pertinent dans les domaines planétaire et astrophysique, en particulier dans la théorie de la formation des disques d’accrétion. Malgré de nombreuses avancées dans la compréhension des écoulements strato-rotationnels,la confrontation de données expérimentales avec des simulations numériques non linéaires est pertinente, car elle implique à la fois les aspects linéaires ainsi que les interactions non linéaires des modes SRI qui doivent encore être mieux compris. Ces comparaisons révèlent également de nouveaux phénomènes et motifs non linéaires encore jamais observés pour les SRI, contribuant ainsi à une meilleure compréhension des écoulements géophysiques. Le dispositif expérimental conçu pour étudier ces phénomènes liés à l’instabilité SRI consiste en deux cylindres qui peuvent tourner indépendamment, la cavité étant remplie avec de l’huile de silicone. Afin d’obtenir une stratification stable le long de l’axe du cylindre, le couvercle inférieur de l’installation est refroidi tandis que sa partie supérieure est chauffée. Le champ résultant de la rotation des cylindres interagissant avec la stratification de densité stable est mesuré en utilisant la technique de vélocimétrie par image de particules (PIV). Dans cette thèse, nous nous sommes concentrés sur des cas à nombres de Reynolds modérés (Re, basé sur le rayon du cylindre intérieur et les vitesses angulaires), variant entre Re=300 et Re=1300. Le rapport de rotation entre cylindres extérieur et intérieur est fixé à μ=Ωout/Ωin=0.35, une valeur légèrement inférieure au profil de vitesse képlérien, mais au delà de la limite de Rayleigh. Cette configuration expérimentale est également étudiée par simulations numériques directes à l’aide d’un code parallèle incompressible avec une approximation de Boussinesq, basé sur des schémas compacts d’ordre élevé et des séries de Fourier.D’un point de vue algorithmique, une décomposition bi-dimensionnelle est mise en œuvre afin d'obtenir une parallélisation efficace.

Jury :
Directeur de thèse:  Stéphane Viazzo (Aix-Marseille Université, M2P2)   
Directeur de thèse:  Uwe Harlander (BTU Cottbus-Seftenberg)
Rapporteur:  Innocent Mutabazi (Université du Havre) 
Rapporteur: Christoph Egbers ( BTU Cottbus-Seftenberg)
Examinatrice:  Caroline Nore (Université Paris Saclay)
Examinatrice:  Nikki Verkauteren (FU-Berlin)
Invité:  Fred Feudel (Universität Potsdam)
Invité: Stéphane Abide (Université de Perpignan) 

Mercredi 16 décembre à 14h00 - Development of Combustion Modelling within Lattice Boltzmann Framework / Soutenance de thèse Muhammad TAYYAB
Doctorant : Muhammad TAYYAB            
  
Date de la soutenance :  le 16 décembre 2020 à 14h00

Abstract : 

Computational Fluid Dynamics (CFD) has become a must-have design tool in the industry, where simulations are used to continuously improve geometries and designs. The external aerodynamics community has recently witnessed a paradigm shift, from Navier-Stokes based solvers to Lattice Boltzmann (LB) solvers. Unsurprisingly, this change was mostly motivated by costs, which were roughly divided by ten in the process. Unfortunately for the combustion community, also a big CFD client, this paradigm shift involved an iso-thermal flow assumption, incompatible with reactive flows in combustion. The objective of this thesis is to lift this limitation and extend the LB method to cope with reactive flows.
Two different hybrid LB models are detailed in this work which are capable of computing various different combustion processes. The LB solver consists of a regularized thermal LB method based on the standard lattices (D2Q9, D3Q19) and the pressure is linked to the ideal gas law. The classical Finite Difference (FD) schemes are used to solve energy and species conservative equations. The methods are compressible and incorporate full thermo-fluid coupling. Validations are then performed on a wide variety of test cases, from 1D freely propagating premixed flame and 2D counter-flow diffusion flame, to complete unsteady simulation of a 1.5m combustion test rig. The accuracy of the method is demonstrated by comparing simulations of thermo-diffusive instabilities with experimental data. A 3D DNS benchmark is also presented, to show that the cost reduction obtained in the field of external aerodynamics is also achievable for reacting flows; perhaps providing the most important conclusion of this work.

Jury: 

Rapporteur du jury : E.FROUZAKIS CHRISTOS
Rapporteur du jury : MURA ARNAUD
Membre du jury : H. LUO KAI
Membre du jury : JIMENEZ CARMEN
Membre du jury : SAGAUT PIERRE
Directeur : BOIVIN PIERRE
Co-Directeur : HALDENWANG PIERRE
Mardi 15 décembre à 9h00 - Impact d'une perturbation magnétique 3D non axisymétrique sur le transport et la turbulence dans le plasma de bord des tokamaks / Soutenance de thèse Benjamin LUCE
Doctorant : Benjamin LUCE          
  
Date de la soutenance :  le 15 décembre 2020 à 9h00, CEA Cadarache IRFM, bât.513 (+visio)

Abstract : 

Pour un mix énergétique, la maîtrise de la fusion nucléaire offre l’opportunité d’une source d’énergie abondante et renouvelable. Les tokamaks ont montré les meilleurs performances pour confiner un plasma de fusion grâce à des champs magnétiques et ont été choisis comme la prochaine génération de machines pour la recherche en fusion (ITER). L’évacuation des flux de chaleur et l’augmentation du temps de confinement sont les deux principaux défis pour les tokamaks. Ils sont directement en lien avec le transport perpendiculaire, essentiellement turbulent, vers le mur. Pour améliorer le confinement, le mode H est recherché. Il crée un piedestal sur la pression dans le plasma de bord, réduisant le transport perpendiculaire mais est associé à des relaxations, les ELMs, responsables d’un afflux de chaleur transitoire sur les murs au-delà des limites tolérables. Pour supprimer ou mitiger les ELMs, des perturbations magnétiques 3D (MPs) ont été ajoutées grâce à des bobines externes. Les impacts des MPs sur les ELMs, la transition L-H, leur écrantage ou leur résonance sur le champ magnétique ont été étudiés. Peu de données existent sur leur impact sur la turbulence dû à la difficulté de mesures expérimentales et à la complexité sur les outils numériques nécessaires. Dans cette thèse, nous abordons la question par la modélisation du plasma de bord, de l’extérieur du coeur à la SOL. 2 codes complémentaires sont utilisés : un code fluide 3D électrostatique turbulent, TOKAM3X et un à champs moyens, MHDG. Avec TOKAM3X, un effort conjoint de l’IRFM (CEA), du M2P2 et du PIIM, nous observons l’impact de MPs 3D sur la turbulence de bord. La capacité de traiter des perturbations 3D a été ajoutée durant cette thèse. Une approche par étape a suivi, d’abord par des simulations isothermes electrostatiques avec une MP mode simple dans une géométrie circulaire avec limiteur. Des observations expérimentales ont été reproduites comme la perte de densité par les MPs, ansi que les variations du champ électrique radial, associées à une redistribution poloïdale et toroïdale des flux. Les MPs impactent modérément la turbulence, réduisant l’intermittence dans la SOL et les fluctuations de densité. Une complexification du modèle a été faite sur des simulations non isothermes. Nous montrons l’importance du découplage entre particule et énergie. Différents résultats sont observés lorsqu’un flux simpliste de particules en provenance du coeur est comparé à un flux recyclé, plus réaliste, en provenance du limiteur. Des tendances expérimentales sont retrouvées dans le cas avec recyclage mais seulement partiellement dans le cas sans. L’impact sur la turbulence est à nouveau modéré mais différent suivant les cas, particulièrement lorsque l’on distingue la turbulence associée à l’énergie ou aux particules. Une analyse des conséquences de ces observations sur les simulations à champs moyens est proposée par à une comparaison directe. Des différences significatives sont observées par rapport aux simulations turbulentes qui ont des perturbations toroïdales non-axisymétriques d’amplitudes bien plus importantes. Leur localisation spatiale est également différentes. Ces résultats démontrent certaines limites de l’approche à champs moyens sur la modélisation des MPs et appellent à poursuivre l’effort sur des simulations turbulentes auto-consistantes. Enfin, les premiers résultats sur des simulations à champs moyens TOKAM3X avec des MPs plus réalistes sont présentés. L’impact est plus faible (en amplitude) et plus localisé. Une extension de ce travail a été implémentée sur MHDG, utilisant pour la première fois son modèle 3D, pour explorer des géométries et MPs plus complexes (jusqu’à un ripple en géométrie WEST). Les MPs réalistes ont un comportement similaire aux observations faites avec TOKAM3X champs moyens mais avec des différences notables. Le ripple modifie l’équilibre global du plasma mais, en accord avec la théorie, impacte faiblement sa symétrie toroïdale.

Jury :
M. Eric SERRE /  Aix Marseille Université / Directeur de thèse
M. Alexander KENDL / Innsbruck Universität / Rapporteur
M. Hinrich LÜTJENS / Ecole Polytechnique / Rapporteur
M. Patrick TAMAIN / CEA IRFM / Co-encadrant de thèse
M. Peter BEYER / Aix Marseille Université / Examinateur
Mme Laure VERMARE / Ecole Polytechnique / Rapporteur

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