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.
Adil Mouahid, Isabelle Bombarda, Magalie Claeys-Bruno, Sandrine Amat, Emmanuelle Myotte, et al.. Supercritical CO2 extraction of Moroccan argan (Argania spinosa L.) oil: Extraction kinetics and solubility determination. Journal of CO2 Utilization, Elsevier, 2021, 46, pp.101458. ⟨10.1016/j.jcou.2021.101458⟩. ⟨hal-03142714⟩ Plus de détails...
Adil Mouahid, Isabelle Bombarda, Magalie Claeys-Bruno, Sandrine Amat, Emmanuelle Myotte, et al.. Supercritical CO2 extraction of Moroccan argan (Argania spinosa L.) oil: Extraction kinetics and solubility determination. Journal of CO2 Utilization, Elsevier, 2021, 46, pp.101458. ⟨10.1016/j.jcou.2021.101458⟩. ⟨hal-03142714⟩
David Ranava, Cassandra Backes, Ganesan Karthikeyan, Olivier Ouari, Audrey Soric, et al.. Metabolic Exchange and Energetic Coupling between Nutritionally Stressed Bacterial Species: Role of Quorum-Sensing Molecules. mBio, 2021, 12 (1), pp.e02758-20. ⟨10.1128/mBio.02758-20⟩. ⟨hal-03115469⟩ Plus de détails...
Formation of multispecies communities allows nearly every niche on earth to be colonized, and the exchange of molecular information among neighboring bacteria in such communities is key for bacterial success. To clarify the principles controlling interspecies interactions, we previously developed a coculture model with two anaerobic bacteria, Clostridium acetobutylicum (Gram positive) and Desulfovibrio vulgaris Hildenborough (Gram negative, sulfate reducing). Under conditions of nutritional stress for D. vulgaris, the existence of tight cell-cell interactions between the two bacteria induced emergent properties. Here, we show that the direct exchange of carbon metabolites produced by C. acetobutylicum allows D vulgaris to duplicate its DNA and to be energetically viable even without its substrates. We identify the molecular basis of the physical interactions and how autoinducer-2 (AI-2) molecules control the interactions and metabolite exchanges between C. acetobutylicum and D. vulgaris (or Escherichia coli and D. vulgaris). With nutrients, D. vulgaris produces a small molecule that inhibits in vitro the AI-2 activity and could act as an antagonist in vivo. Sensing of AI-2 by D. vulgaris could induce formation of an intercellular structure that allows directly or indirectly metabolic exchange and energetic coupling between the two bacteria.
David Ranava, Cassandra Backes, Ganesan Karthikeyan, Olivier Ouari, Audrey Soric, et al.. Metabolic Exchange and Energetic Coupling between Nutritionally Stressed Bacterial Species: Role of Quorum-Sensing Molecules. mBio, 2021, 12 (1), pp.e02758-20. ⟨10.1128/mBio.02758-20⟩. ⟨hal-03115469⟩
J. M. Lyu, Paul G. Chen, G. Boedec, M. Leonetti, M. Jaeger. An isogeometric boundary element method for soft particles flowing in microfluidic channels. Computers and Fluids, Elsevier, 2021, 214, pp.104786. ⟨10.1016/j.compfluid.2020.104786⟩. ⟨hal-02476945v2⟩ Plus de détails...
Understanding the flow of deformable particles such as liquid drops, synthetic capsules and vesicles, and biological cells confined in a small channel is essential to a wide range of potential chemical and biomedical engineering applications. Computer simulations of this kind of fluid-structure (mem-brane) interaction in low-Reynolds-number flows raise significant challenges faced by an intricate interplay between flow stresses, complex particles' in-terfacial mechanical properties, and fluidic confinement. Here, we present an isogeometric computational framework by combining the finite-element method (FEM) and boundary-element method (BEM) for an accurate prediction of the deformation and motion of a single soft particle transported in microfluidic channels. The proposed numerical framework is constructed consistently with the isogeometric analysis paradigm; Loop's subdivision elements are used not only for the representation of geometry but also for the membrane mechanics solver (FEM) and the interfacial fluid dynamics solver (BEM). We validate our approach by comparison of the simulation results with highly accurate benchmark solutions to two well-known examples available in the literature, namely a liquid drop with constant surface tension in a circular tube and a capsule with a very thin hyperelastic membrane in a square channel. We show that the numerical method exhibits second-order convergence in both time and space. To further demonstrate the accuracy and long-time numerically stable simulations of the algorithm, we perform hydrodynamic computations of a lipid vesicle with bending stiffness and a red blood cell with a composite membrane in capillaries. The present work offers some possibilities to study the deformation behavior of confining soft particles, especially the particles' shape transition and dynamics and their rheological signature in channel flows.
J. M. Lyu, Paul G. Chen, G. Boedec, M. Leonetti, M. Jaeger. An isogeometric boundary element method for soft particles flowing in microfluidic channels. Computers and Fluids, Elsevier, 2021, 214, pp.104786. ⟨10.1016/j.compfluid.2020.104786⟩. ⟨hal-02476945v2⟩
J. M. Lyu, Paul G. Chen, G. Boedec, M. Leonetti, M. Jaeger, et al.. An isogeometric boundary element method for soft particles flowing in microfluidic channels. Computers and Fluids, Elsevier, 2021, 214, pp.104786. ⟨10.1016/j.compfluid.2020.104786⟩. ⟨hal-03082862⟩ Plus de détails...
Understanding the flow of deformable particles such as liquid drops, synthetic capsules and vesicles, and biological cells confined in a small channel is essential to a wide range of potential chemical and biomedical engineering applications. Computer simulations of this kind of fluid-structure (membrane) interaction in low-Reynolds-number flows raise significant challenges faced by an intricate interplay between flow stresses, complex particles' interfacial mechanical properties, and fluidic confinement. Here, we present an isogeometric computational framework by combining the finite-element method (FEM) and boundary-element method (BEM) for an accurate prediction of the deformation and motion of a single soft particle transported in microfluidic channels. The proposed numerical framework is constructed consistently with the isogeometric analysis paradigm; Loop's subdivision elements are used not only for the representation of geometry but also for the membrane mechanics solver (FEM) and the interfacial fluid dynamics solver (BEM). We validate our approach by comparison of the simulation results with highly accurate benchmark solutions to two well-known examples available in the literature, namely a liquid drop with constant surface tension in a circular tube and a capsule with a very thin hyperelastic membrane in a square channel. We show that the numerical method exhibits second-order convergence in both time and space. To further demonstrate the accuracy and long-time numerically stable simulations of the algorithm, we perform hydrodynamic computations of a lipid vesicle with bending stiffness and a red blood cell with a composite membrane in capillaries. The present work offers some possibilities to study the deformation behavior of confining soft particles, especially the particles' shape transition and dynamics and their rheological signature in channel flows.
J. M. Lyu, Paul G. Chen, G. Boedec, M. Leonetti, M. Jaeger, et al.. An isogeometric boundary element method for soft particles flowing in microfluidic channels. Computers and Fluids, Elsevier, 2021, 214, pp.104786. ⟨10.1016/j.compfluid.2020.104786⟩. ⟨hal-03082862⟩
Xueru Yan, Stéphane Anguille, Marc Bendahan, Philippe Moulin. Toluene removal from gas streams by an ionic liquid membrane: Experiment and modeling. Chemical Engineering Journal, Elsevier, 2021, 404, pp.127109. ⟨10.1016/j.cej.2020.127109⟩. ⟨hal-02958176⟩ Plus de détails...
Ionic liquids (ILs) are promising alternative solvents for traditional organic compounds using selective separation. However, some environmental risks of ILs, resulting in a limitation of their applications in industry. In this work, the stability of ILs into multi-channel tubular ceramic membranes (ILM) provides a promising way to realize the use of ILs with environmental damages reducing. This novel process has been investigated for toluene removal from a toluene/air gas mixture based on 1-butyl-3-imidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)amide ([Bmim][NTf2]) as a liquid sorbent. In addition, the effects of operating conditions on toluene separation were studied and discussed by experiment and modeling. The absorption capacity of toluene by the ILM on proposed operating conditions was around 224.74 mg per gram of the ionic liquid. The support ceramic membrane can effectively prevent ILs leakage from causing secondary waste and ensure longtime operation. Regeneration of polluted ILM was available.
Xueru Yan, Stéphane Anguille, Marc Bendahan, Philippe Moulin. Toluene removal from gas streams by an ionic liquid membrane: Experiment and modeling. Chemical Engineering Journal, Elsevier, 2021, 404, pp.127109. ⟨10.1016/j.cej.2020.127109⟩. ⟨hal-02958176⟩
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
Jeudi 10 décembre à 10h00
- Recherche d’optimum de conversion de la biomasse et optimisation de la répartition d’entropie dans un réacteur, deux contributions au développement des bio-raffineries/ Soutenance de thèse Jonathan GOFFE
Doctorant : Jonathan GOFFE
Date de la soutenance : visioconférence le jeudi 10 décembre à 10 h.
Résumé :
L’optimisation des processus à grande échelle, la réduction des irréversibilités lors des différentes transformations, ainsi que les changements stratégiques majeurs dans le choix des ressources et des applications sont des étapes clés de la transformation du modèle énergétique mondial. En contribuant d’une part à développer des outils d’évaluation théorique de la conversion de la biomasse ce travail fournit des critères permettant d’identifier les limites supérieures théoriques de la conversion de la biomasse. La conversion de deux biomasses (lignocellulosique et microalgue) en alcanes, alcools, monoxyde de carbone ou hydrogène est réalisée. Elle souligne l’importance de la stœchiométrie dans la faisabilité et l’efficacité des conversions. D’autre part ce travail contribue au domaine de l’optimisation des procédés par la réduction des irréversibilités. Le fonctionnement d’un réacteur tubulaire a été étudié en mesurant l’impact de la géométrie. Le procédé de reformage du méthane à la vapeur sert de cas modèle. Une proposition d’équipartition de la production d’entropie à été proposé à partir d’une décomposition en sous réacteurs.
Mots clés : Biomasse, conversion de la biomasse, Analyse Pinch, Matlab, equipartition, création d’entropie, réacteur tubulaire, reformage du méthane à la vapeur
Jury :
Dr Raphaele THÉRY HÉTREUX
Maitre de conférences HDR, LGC, INPT Toulouse, Rapportrice
Pr Guillain MAUVIEL
Professeur des Universités, LRGP Nancy, Université de Lorraine, Rapporteur
Dr Nathalie MAZET
Directeur de recherche, CNRS, PROMES, Université de Perpignan Via Domitia, Examinatrice
Dr Lingai LUO
Directeur de recherche, CNRS, Laboratoire de Thermique et Énergie, Université de Nantes, Examinatrice
Dr Jean-Henry FÉRRASSE
Maître de Conférences HDR, M2P2, Aix Marseille Université, Directeur de thèse
Vendredi 30 octobre 2020 à 10h
- Development of a hybrid process, membrane-Ionic Liquid (ILM), for gas treatment / Soutenance de thèse Xueru YAN
Doctorante : Xueru YAN
Date de la soutenance : le vendredi 30 octobre 2020 à 10h00, salle de projection (M2P2, Arbois, à Aix-en-Provence)
Résumé :
L'élimination des polluants d'un mélange gazeux ou liquide est un enjeu majeur en termes de réduction de l'impact environnemental de nombreux procédés industriels. Les liquides ioniques sont des solvants de remplacement prometteurs dans la séparation sélective en raison de leur pression de vapeur négligeable et de leurs propriétés chimico-physiques. Dans cette étude, un nouveau procédé hybride, la combinaison des IL et d'une membrane céramique tubulaire (ILM), a été développé dans le but de traiter des gaz ou des liquides. Par rapport aux procédés conventionels, l’ILM offre une grande stabilité et une résistance mécanique élevée pendant une longue période de fonctionnement. De plus, les propriétés spécifiques des ILs assurent la sélectivité et de fortes capacités d'absorption. Dans le cas des traitements de gaz, l'élimination de l'humidité pour protéger le capteur de gaz et le traitement du gaz industriel contenant du toluène sont les deux parties développées dans ce manuscrit. Les effets de plusieurs paramètres de fonctionnement, notamment le débit de gaz, la température, la pression, la concentration d'alimentation, la surface effective de la membrane ont été étudiés à la fois sur l'élimination de l'humidité et du toluène en phase gaz. Un modèle mathématique en deux étapes a été utilisé pour modéliser les résultats expérimentaux et évaluer la performance de séparation des ILM. Enfin des essais avec un ILM de taille industrielle ont confortés les résultats à petite échelle.
Jury:
M. Stéphane ANGUILLE (Co-Directeur de Thèse), Maître de conférences, IUT Aix-Marseille
M. Marc BENDAHAN (Examinateur), Professeur, IM2NP, Aix-Marseille Université
M. Christophe CASTEL (Rapporteur), Professeur, ENSIC-LRGP
M. Alberto FIGOLI (Rapporteur), Professeur, ITM-CNR at University of Calabria
M. David GROSSO (Examinateur), Professeur, IM2NP, Aix-Marseille Université
M. Philippe MOULIN (Directeur de Thèse), Professeur, M2P2, Aix-Marseille Université
Mme. Audrey SORIC (Examinateur), Maître de conférences, M2P2, École Centrale Marseille
