2 axes thématiques, 6 équipes de recherche, 2 sites
L'originalité du M2P2 réside dans ses thèmes de recherche dans les domaines de la Mécanique des Fluides Numérique et du Génie des Procédés. La recherche en mécanique et modélisation est associée à un fort développement méthodologique autour de codes de calcul pour la simulation d'écoulements naturels et industriels. Dans le domaine du génie des procédés, la recherche concerne le développement de procédés innovants ainsi que l'étude des verrous mis en jeu dans ces procédés dans le cadre d'une forte activité contractuelle.
Dans le cadre de l'appel "Emergence & Innovation Fusion", l'Initiative d'excellence d'Aix-Marseille Université (AMIDEX) vient de labelliser le projet KFC, Kinetic Fluid Computing, pour un montant de 500 keuros sur deux années. Ce projet piloté par notre laboratoire fédère quatre UMR de l'Université, le Mésocentre et le CEA IRFM autour d'un effort pour la modélisation des plasmas de fusion par confinement magnétique. L'objectif de ce projet est de soutenir nos efforts sur l'ensemble des couplages fluide/cinétique dans les codes de calcul de dernière génération développés entre AMU et le CEA pour la simulation de la turbulence plasma.
Publications
2019
Philippe Meliga, E. Hachem. Time-accurate calculation and bifurcation analysis of the incompressible flow over a square cavity using variational multiscale modeling. Journal of Computational Physics, Elsevier, 2019, 376, pp.952-972. 〈hal-01946893〉 Plus de détails...
A thorough variational multiscale (VMS) modeling of the Navier-Stokes equations is used to compute numerical solutions of the incompressible flow over an open cavity. This case features several competing instabilities, and is highly challenging for VMS methods with regard to frequency and pattern selection, because of the non-normality of the linearized Navier-Stokes operator. The relevance of the approach is thus carefully assessed by comparing to direct numerical simulation (DNS) data benchmarked at several Reynolds numbers, and highly accurate time advancing methods are shown to predict relevant evolutions of the transient and saturated solutions. The VMS reduces substantially the computational cost, by similar to 35% (resp. similar to 60%) in terms of CPU time using a semi-implicit discretization scheme based on backward differentiation formula (resp. the implicit Crank-Nicholson scheme), and by similar to 80% in terms of memory requirement. Eventually, the highly efficient semi-implicit VMS numerical framework is used to unravel the onset of the flow oscillations and the selection of the limit cycle frequency, that happens to involve a subcritical Neimark-Sacker bifurcation.
Philippe Meliga, E. Hachem. Time-accurate calculation and bifurcation analysis of the incompressible flow over a square cavity using variational multiscale modeling. Journal of Computational Physics, Elsevier, 2019, 376, pp.952-972. 〈hal-01946893〉
I. García-Casas, Christelle Crampon, A. Montes, C. Pereyra, E.J. Martínez de La Ossa, et al.. Supercritical CO2 impregnation of silica microparticles with quercetin. The Journal of Supercritical Fluids, 2019, 143, pp.157-161. 〈hal-01946903〉 Plus de détails...
Supercritical carbon dioxide has been used to develop two methods for the impregnation of porous silica beads with a natural antioxidant, quercetin. These methods involved batch and semi-continuous supercritical impregnations. The first experiments performed in batch mode helped to understand the influence of pressure, temperature, duration, and the presence of a co-solvent on the impregnation efficiency. A co-solvent was added due to the low solubility of quercetin in supercritical CO2 under the operating conditions studied. In the range of temperatures and pressures studied, the best operating conditions, i.e., those that led to the highest quantity of quercetin impregnated (300 mu g of quercetin per g of silica), were 10 MPa and 323 K with ethanol as co-solvent for 2 h. These operating conditions, highlighted through the batch mode experiments, were subsequently applied to the semi-continuous process. This approach provided an impregnation ratio of 240 mu g of quercetin per g of silica.
I. García-Casas, Christelle Crampon, A. Montes, C. Pereyra, E.J. Martínez de La Ossa, et al.. Supercritical CO2 impregnation of silica microparticles with quercetin. The Journal of Supercritical Fluids, 2019, 143, pp.157-161. 〈hal-01946903〉
Marcello Meldi, L. Djenidi, R. Antonia. Reynolds number effect on the velocity derivative flatness factor. Journal of Fluid Mechanics, Cambridge University Press (CUP), 2018, 856, pp.426-443. 〈hal-01947035〉 Plus de détails...
This paper investigates the effect of a finite Reynolds number (FRN) on the flatness factor (F) of the velocity derivative in decaying homogeneous isotropic turbulence by applying the eddy damped quasi-normal Markovian (EDQNM) method to calculate all terms in an analytic expression for F (Djenidi et al., Phys. Fluids, vol. 29 (5), 2017b, 051702). These terms and hence F become constant when the Taylor microscale Reynolds number, Re A exceeds approximately 10(4). For smaller values of Re-lambda, F, like the skewness -S, increases with ReA; this behaviour is in quantitative agreement with experimental and direct numerical simulation data. These results indicate that one must first ensure that Re-lambda A is large enough for the FRN effect to he negligibly small before the hypotheses of Kolmogorov (Dokl. Akad. Nauk SSSR, vol. 30, 1941a, pp. 301-305; Dokl. Akad. Nauk SSSR, vol. 32, 1941b, pp. 16-18; J. Fluid Mech. vol. 13, 1962, pp. 82-85) can he assessed unambiguously. An obvious implication is that results from experiments and direct numerical simulations for which Re-lambda is well below 10(4) may not he immune from the FRN effect. Another implication is that a power-law increase of with respect to Re-lambda, as suggested by the Kolmogorov 1962 theory, is not tenable when Re-lambda is large enough.
Marcello Meldi, L. Djenidi, R. Antonia. Reynolds number effect on the velocity derivative flatness factor. Journal of Fluid Mechanics, Cambridge University Press (CUP), 2018, 856, pp.426-443. 〈hal-01947035〉
M.V. Johansson, F. Testa, I. Zaier, P. Perrier, P. Bonnet, et al.. Mass flow rate and permeability measurements in microporous media. Vacuum, Elsevier, 2018, 158, pp.75 - 85. 〈10.1016/j.vacuum.2018.09.030〉. 〈hal-01888007〉 Plus de détails...
M.V. Johansson, F. Testa, I. Zaier, P. Perrier, P. Bonnet, et al.. Mass flow rate and permeability measurements in microporous media. Vacuum, Elsevier, 2018, 158, pp.75 - 85. 〈10.1016/j.vacuum.2018.09.030〉. 〈hal-01888007〉
Lucie Merlier, Jérome Jacob, Pierre Sagaut. Lattice-Boltzmann Large-Eddy Simulation of pollutant dispersion in street canyons including tree planting effects. Atmospheric Environment, Elsevier, 2018, 195, pp.89-103. 〈hal-01946898〉 Plus de détails...
This study assesses the performance of a large eddy simulation (LES) based on the lattice Boltzmann method (LBM) in predicting near field dispersion in street canyons with tree planting. Based on a benchmark test case benefiting from wind tunnel measurements (CODASC), this study qualitatively and quantitatively discusses the prediction of traffic-induced pollutant concentration with respect to several reference studies. It also analyses the physics of the flow and concentration fields. Although the problem might seem rather simple, the flow is highlighted to be strongly three dimensional and transient. These properties enhance pollutant dispersion in the empty street canyon but air flow velocity and turbulence intensity tend to decrease in tree crowns. This effect of trees increases both mean and peak concentration levels at pedestrian level, which may be problematic in cities with dense traffic. These results show that LBM-LES is particularly well suited to study dispersion problems towards the development of more breathable cities.
Lucie Merlier, Jérome Jacob, Pierre Sagaut. Lattice-Boltzmann Large-Eddy Simulation of pollutant dispersion in street canyons including tree planting effects. Atmospheric Environment, Elsevier, 2018, 195, pp.89-103. 〈hal-01946898〉
14 décembre 2018
- L'Etudes Numérique des Dynamiques Filamentaires dans les Plasmas des SOLs de tokamak / Soutenance de thèse William GRACIAS
Doctorant : William GRACIAS
Date de la soutenance : vendredi 14 décembre 2018 à 10h00 / Av. de la Universidad 30, Universidad Carlos III de Madrid, Leganés 28911, Madrid, Espagne
Résumé de la thèse:
Le transport filamentaire a été expérimentalement observé dans une multitude de machines de fusion par confinement magnétique, en particulier du genre tokamak. Dans cette thèse la dynamique de ces structures turbulentes filamentaires est étudiée par des études paramétriques. L'impact de la résistivité parallèle dans le plasma est un aspect important pour la compréhension du mouvement filamentaire dans la région du bord, et ces études montrent la possibilité de changer la dynamique de la vélocité radiale des filaments en fonction de la taille. L'étude d'impact de cisaillement magnétique sur la dynamique des filaments montrent la capacité d'un cisaillement fort de redistribuer la densité d'un filament en l'interdisant de se propager vers le paroi. Le transport turbulent de filament est aussi étudié et montre la tendance de ce transport à varier en fonction de volume du SOL.
Mots clés : Turbulence, transport, filaments, blobs, bord
Jury:
Directeur de thèse Eric SERRE CNRS / laboratoire M2P2
Examinateur Carlos HIDALGO Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT)
Examinateur Teresa ESTRADA Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT)
Examinateur Luis CONDE LóPEZ Universidad Politécnica de Madrid
Examinateur Raúl SANCHEZ Universidad Carlos III de Madrid
28 novembre 2018
- Les réacteurs à biofilm pour la valorisation des eaux usées : Approche multi-échelle, intégrée pour l’optimisation des procédés / Soutenance de HDR Audrey SORIC
Dr. Audrey SORIC
Date de la soutenance : le 28 novembre 2018 à 10h - Amphi 3, Centrale Marseille
Mots clés : Procédés propres; optimisation; réacteurs à biofilm
Jury:
Claire Albasi, LGC (Directrice de recherche CNRS)
Olivier Boutin, M2P2 (Professeur AMU)
Florent Chazarenc, IRSTEA Lyon (Directeur de Recherche)
Frédéric Fotiadu, ISM2 (Professeur Centrale Marseille)
Marie-Thérèse Giudici-Orticoni, BIP (Directrice de Recherche CNRS)
Christian Larroche, Institut Pascal (Professeur Polytech Clermont-Ferrand)
26 novembre 2018
- Etude des mécanismes de cristallisation en milieu supercritique : Application à des principes actifs pharmaceutiques / Soutenance de thèse Sébastien CLERCQ
Doctorant : Sébastien CLERCQ
Date de la soutenance : Lundi 26 Novembre 2018 à 10h / Grand Amphithéâtre du CEREGE, site de l'Arbois
Résumé de la thèse:
Ce manuscrit présente une étude du procédé Supercritique Anti-Solvant (SAS) en combinant un travail expérimental et une étude de modélisation moléculaire. En comparaison aux méthodes traditionnelles de cristallisation en solution, le procédé SAS permet une baisse significative des quantités de solvants utilisées, un meilleur contrôle des caractéristiques des poudres générées ainsi qu’une plus grande sélectivité polymorphique. De nombreuses études expérimentales ou de modélisation numérique ont permis une meilleure compréhension de ce procédé, mais certains aspects, liés aux mécanismes de cristallisation sous pression, demeurent moins discutés. Par une investigation de ces mécanismes, l’objectif de ce travail a été de développer et de valider des méthodes permettant un meilleur contrôle du faciès des poudres générées et de la forme du polymorphe. De ces caractéristiques dépendent certaines propriétés des cristaux, telles que leur cinétique de dissolution ou encore leur stabilité physique et chimique, particulièrement importante pour le domaine pharmaceutique.
Le travail expérimental a conduit à la recristallisation du sulfathiazole, un soluté polymorphe modèle permettant une étude cristallographique complète grâce à sa faculté de cristalliser sous cinq formes différentes. Il a été micronisé avec succès à partir de différents solvants organiques et pour différentes conditions opératoires. Deux formes ont majoritairement été obtenues. En utilisant l’acétone comme solvant, la forme I (la moins stable) est formée lorsque le débit de solution organique et la sursaturation globale sont élevés. La forme IV (plus stable que la forme I) est formée lorsque les conditions de mélange sont peu intenses, à savoir pour de faibles débits des deux phases et quelles que soient les conditions de sursaturation.
L’étude de modélisation moléculaire a eu pour objectif de prédire le faciès des cristaux en fonction de l’environnement de croissance. Dans un premier temps, les cristaux de sulfathiazole ont été modélisés in vacuo. Ensuite, la nature du milieu de cristallisation a été prise en compte grâce à des simulations d’adsorption des solvants sur les différentes faces du cristal. Il a ainsi été prédit une faible adsorption de l’acétonitrile et du CO2, n’engendrant aucune modification des caractéristiques des cristaux de sulfathiazole, une adsorption significative de l’acétone et du tétrahydrofurane sur certaines faces identifiées, modifiant le faciès des cristaux, et enfin, une adsorption très importante de l’acide acétique sur l’ensemble des faces. Ces résultats ont été validés par l’observation des cristaux obtenus expérimentalement. La cohérence entre les résultats de modélisation et les résultats expérimentaux montre la pertinence de cette approche novatrice pour les milieux supercritiques.
Jury:
Elisabeth BADENSProf. Aix Marseille Université, M2P2 Directrice
Brice CALVIGNAC MC Université d’Anger, MINT Rapporteur
Philip LLEWELLYNProf.Aix Marseille Université, MADIRELExaminateur
Adil MOUAHID MC Aix Marseille Université, M2P2 Directeur
Gérard PEPE DRMembre invité Encadrant
19 novembre 2018
- Etude hydraulique et statistique d'écoulements métastables en faisceaux d'assemblage REP / Soutenance de thèse Florian MULLER
Doctorant : Florian MULLER
Date de la soutenance : lundi 19 Novembre 2018 à 10h00 / INSTN Centre CEA Saclay D36, 91190 Saclay ; Grand amphithéâtre
Résumé de la thèse:
L'analyse des écoulements au sein des faisceaux d'assemblages combustibles constitue un volet important des études de sûreté des Réacteurs à Eau Pressurisée (REP). En effet, une mauvaise répartition thermique au sein de ces écoulements peut conduire à une crise d'ébullition nuisible à la sûreté de fonctionnement du réacteur. De nombreuses études expérimentales ou basées sur la simulation numérique ont montré l'existence de phénomènes de réorganisation de structures aux grandes échelles dans ces écoulements.
Ce travail de thèse vise à progresser dans notre compréhension de ces phénomènes, tant pour mieux les caractériser que pour identifier leur origine, l'objectif in fine étant de développer des modélisations aux petits échelles adaptées à ce type d'écoulements. Un travail bibliographique a mis en évidence les difficultés rencontrées par les simulations numériques pour reproduire ces phénomènes, ainsi que de nombreux questionnements concernant leur caractère physique. Des simulations 3D fines ont été réalisées pour analyser l'écoulement et ont permis d'identifier deux mécanismes de réorganisation distincts pour les structures aux grandes échelles : un changement de signe de la vitesse transverse entre les crayons ou du tourbillon dans un sous-canal. Il est apparu qu'il semblait pertinent d'adopter l'hypothèse de Taylor pour considérer que les grandes structures 3D évoluaient comme un écoulement 2D transporté. Un gros volet de la thèse a concerné la mise en oeuvre d'un code basé sur une méthode statistique pour un champ 2D dans le but de déterminer les états thermodynamiquement stables dans des géométries avec obstacles (représentatives des assemblages combustibles) via la résolution dun problème variationnel. Des similarités intéressantes ont été obtenues entre les structures cohérentes en REP et les états stables dans une géométrie 2D simplifiée. Des simulations numériques 2D ont permis de plus d'identifier deux bifurcations possibles pour l'écoulement, qui présentent un parallèle avec les deux mécanismes de réorganisations observés dans les simulations 3D, et permettent ainsi de poser les bases d'une explication physique du phénomène. Des premiers résultats de synthèse entre les approches 3D et 2D sont également proposés.
Mots clés : CFD, Turbulence, Nucléaire, Ecoulements métastables
Jury:
Directeur de these Pierre SAGAUT Aix-Marseille Université / M2P2
Examinateur Aziz HAMDOUNI Université de La Rochelle
Examinateur Elie HACHEM Ecole de Mines de Sofia-Antipolis
Examinateur Aurore NASO CNRS / Ecole Centrale Lyon - MFAE/LMFA
Examinateur Anne BURBEAU CEA / Cesta
Rapporteur Thomas GOMEZ Université de Lille / Laboratoire de Mécanique des Fluides de Lille
Rapporteur Eric GONCALVES DA SILVA ENSMA - INSIS (Institut des sciences de l'ingénierie et des systèmes)
19 novembre 2018
- Simulations numériques du transport et du mélange de mucus bronchique par battement ciliaire métachronal / Soutenance de thèse Sylvain CHATEAU
Doctorant : Sylvain CHATEAU
Date de la soutenance : lundi 19 Novembre 2018 à 9h30 / amphithéâtre n°3 / Centrale Marseille
Résumé de la thèse:
La clairance mucociliaire est un processus physico-chimique qui sert à transporter et éliminer le mucus bronchique. Pour cela, des milliers d'appendices de taille micrométrique, que l'on nomme cils, recouvrent l'épithélium respiratoire. Ces cils propulsent le mucus en suivant un motif périodique comprenant une phase de poussée où leur pointe peut pénétrer dans le mucus, et une phase de récupération où ils sont totalement immergés dans le fluide périciliaire. Un dysfonctionnement de ce processus peut engendrer de nombreux problèmes de santé. Il a été observé que les cils ne battent pas aléatoirement, mais synchronisent leurs battements avec leurs voisins, formant ainsi des ondes métachronales. Toutefois, du fait que les observations expérimentales sont extrêmement difficiles à réaliser, les propriétés de ces ondes restent mal connues. Dans cette thèse, nous utilisons la simulation numérique afin de reproduire un épithélium bronchique et étudier l'émergence, ainsi que les capacités de transports et de mélanges, de ces ondes. Dans un premier temps, nous considérons des tapis de cils battant initialement dans des étapes aléatoires de leur battement. Nous observons qu'une rétroaction purement hydrodynamique de la part des fluides sur les cils permets la synchronisation de ces derniers, et amène soit à l'émergence d'ondes métachronales antiplectiques, symplectiques, ou bien synchrones. Dans un second temps, nous analysons les capacités de transport et de mélange de ces trois types d'ondes. Les ondes antiplectiques se révèlent être les meilleures à transporter et mélanger les fluides, et les plus avantageuses d'un point de vue énergétique. Pour les trois types de coordination ciliaire, le mélange est chaotique. Il est puissant près de la région ciliée, et faible dans les régions éloignées. Dans un troisième temps, nous expliquons la meilleure efficacité des ondes antiplectiques sur les ondes synchrones et symplectiques par un phénomène d'aspiration-soufflage qui se produit au niveau de l'interface entre le mucus et le fluide périciliaire. Ce mécanisme permet à la pointe des cils battant en organisation antiplectique de pénétrer plus profondément dans le mucus durant la phase de poussée, et d'en être plus éloignés lors de la phase de récupération. La compétition entre ce phénomène, et l'effet de lubrification du mucus grâce au fluide périciliaire, est aussi étudiée aux travers de différents paramètres. Enfin, dans un dernier temps, les effets de l'asymétrie temporelle dans le battement des cils sont étudiés. Nous trouvons qu'une phase de poussée occupant environ 30 % de la période de battement, tel ce qui est observé dans la nature, correspond à un optimum énergétique dans le cas des ondes antiplectiques.
