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
2017
Philippe Meliga. Harmonics generation and the mechanics of saturation in flow over an open cavity: a second-order self-consistent description. Journal of Fluid Mechanics, Cambridge University Press (CUP), 2017, 826, pp.503 - 521. Plus de détails...
The flow over an open cavity is an example of supercritical Hopf bifurcation leading to periodic limit-cycle oscillations. One of its distinctive features is the existence of strong higher harmonics, which results in the time-averaged mean flow being strongly linearly unstable. For this class of flows, a simplified formalism capable of unravelling how exactly the instability grows and saturates is lacking. This study builds on previous work by Mantic-Lugo et al. (Phys. Rev. Lett., vol. 113, 2014, 084501) to fill in the gap using a parametrized approximation of an instantaneous, phase-averaged mean flow, coupled in a quasi-static manner to multiple linear harmonic disturbances interacting nonlinearly with one another and feeding back on the mean flow via their Reynolds stresses. This provides a self-consistent modelling of the mean flow-fluctuation interaction, in the sense that all perturbation structures are those whose Reynolds stresses force the mean flow in such a way that the mean flow generates exactly the aforementioned perturbations. The first harmonic is sought as the superposition of two components, a linear component generated by the instability and aligned along the leading eigenmode of the mean flow, and a nonlinear orthogonal component generated by the higher harmonics, which progressively distorts the linear growth rate and eigenfrequency of the eigenmode. Saturation occurs when the growth rate of the first harmonic is zero, at which point the stabilizing effect of the second harmonic balances exactly the linear instability of the eigenmode. The model does not require any input from numerical or experimental data, and accurately predicts the transient development and the saturation of the instability, as established from comparison to time and phase averages of direct numerical simulation data.
Philippe Meliga. Harmonics generation and the mechanics of saturation in flow over an open cavity: a second-order self-consistent description. Journal of Fluid Mechanics, Cambridge University Press (CUP), 2017, 826, pp.503 - 521. <10.1017/jfm.2017.439>. <hal-01585331>
Henri Gouin, Pierre Seppecher. Temperature profile in a liquid-vapor interface near the critical point. Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Mathematical and physical sciences, Royal Society, The, 2017, 473 (20170229), pp.1-13. Plus de détails...
Thanks to an expansion with respect to densities of energy, mass and entropy, we discuss the concept of thermocapillary fluid for inhomogeneous fluids. The non-convex state law valid for homogeneous fluids is modified by adding terms taking account of the gradients of these densities. This seems more realistic than Cahn and Hilliard's model which uses a density expansion in mass-density gradient only. Indeed, through liquid-vapor interfaces, realistic potentials in molecular theories show that entropy density and temperature do not vary with the mass density as it would do in bulk phases. In this paper, we prove using a rescaling process near the critical point that liquid-vapor interfaces behave essentially in the same way as in Cahn and Hilliard's model.
Henri Gouin, Pierre Seppecher. Temperature profile in a liquid-vapor interface near the critical point. Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Mathematical and physical sciences, Royal Society, The, 2017, 473 (20170229), pp.1-13. <10.1098/rspa.2017.0229>. <hal-01492802v2>
Journal: Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Mathematical and physical sciences
Gwenn Boedec, Marc Leonetti, Marc Jaeger. Isogeometric FEM-BEM simulations of drop, capsule and vesicle dynamics in Stokes flow. Journal of Computational Physics, Elsevier, 2017, 342, pp.117 - 138. Plus de détails...
We develop an algorithm for the three dimensional simulation of the dynamics of soft objects (drops, capsules, vesicles) under creeping flow conditions. Loop elements are used to describe the shape of the soft objects. This surface representation is used both for membrane solver based on finite element method (FEM) and for the fluid solver based on the boundary element method (BEM). This isogeometric analysis of the low Reynolds fluid-structure interaction problem is then coupled to high-order explicit time stepping or second-order implicit time stepping algorithm. For vesicles simulation, a preconditioner is designed for the resolution of the surface velocity incompressibility constraint, which is treated by the use of a local Lagrange multiplier. A mesh quality preserving algorithm is introduced to improve the control mesh quality over long simulation times. We test the proposed algorithm on capsule and vesicle dynamics in various flows, and study its convergence properties, showing a second-order convergence O(N-2) with mesh number of elements.
Gwenn Boedec, Marc Leonetti, Marc Jaeger. Isogeometric FEM-BEM simulations of drop, capsule and vesicle dynamics in Stokes flow. Journal of Computational Physics, Elsevier, 2017, 342, pp.117 - 138. <10.1016/j.jcp.2017.04.024>. <hal-01590257>
S.A. Toudji, Jean-Philippe Bonnet, J-L. Gardarein, Emilie Carretier. New experimental setup for continuous mass flux measurement in pervaporation. Chemical Engineering Research and Design, Elsevier, 2017, 124 (1), pp.252 - 259. Plus de détails...
Pervaporation is a separation process of liquid mixtures through a thin non-porous membrane. In vacuum pervaporation, the global mass flux is classically estimated by weighing the mass of permeate collected in cold traps. In this work, we propose a new experimental setup that allows a continuous measurement of the mass flux. The new mass flux method measurement was validated for single component permeation (ethanol and water) by comparing mass of permeate collected in cold traps with the level decrease of feed liquid measured with a pressure sensor. This new setup can be useful for laboratory studies dealing with the evolution of mass flux according to different parameters of the process as, for example, the permeate side pressure level or temperature of liquid feed.
S.A. Toudji, Jean-Philippe Bonnet, J-L. Gardarein, Emilie Carretier. New experimental setup for continuous mass flux measurement in pervaporation. Chemical Engineering Research and Design, Elsevier, 2017, 124 (1), pp.252 - 259. <10.1016/j.cherd.2017.06.029>. <hal-01590253>
E. Constant, J. Favier, M. Meldi, P. Meliga, E. Serre. An immersed boundary method in OpenFOAM : Verification and validation. Computers & Fluids, 2017, 157, pp.55 - 72. Plus de détails...
The present work proposes a modified Pressure-Implicit Split-Operator (PISO) solver integrating the recent Immersed Boundary Method (IBM) proposed by Pinelli et al. [1] in order to perform reliable simulations of incompressible flows around bluff bodies using the open source toolbox OpenFOAM version 2.2 (ESI-OpenCFD [2]). The (IBM) allows for a precise representation of fixed and moving solid obstacles embedded in the physical domain, using uniform or stretched Cartesian meshes. Owing to this feature, the maximum level of accuracy and scalability of the numerical solvers can be systematically achieved. An iterative scheme based on sub-iterations between (IBM) and pressure correction has been implemented in the native (PISO) solver of OpenFOAM. This allows one to use fast optimized Poisson solvers while satisfying simultaneously the divergence-free flow state and the no-slip condition at the body surface. To compute the divergence of the momentum equation (in the PISO loop) and the interpolation of the fluxes, we propose an hybrid calculation with an analytical resolution (using the kernel function equation) of the quantities involving the force term (singular quantities). A careful and original verification study has been carried out which allows to estimate three different errors related to the discretization and to the (IBM). Various 2D and 3D well-documented test cases of academic flows around fixed or moving cylinders have been simulated and carefully validated against existing data from the literature in a large range of Reynolds numbers, Re = 30 − 3900 and in the frame of DNS and DDES OpenFOAM native models.
E. Constant, J. Favier, M. Meldi, P. Meliga, E. Serre. An immersed boundary method in OpenFOAM : Verification and validation. Computers & Fluids, 2017, 157, pp.55 - 72. <10.1016/j.compfluid.2017.08.001>. <hal-01591562>
21 juillet 2017
- Caractérisation du colmatage chimique et biologique et leurs interactions au sein d’un dispositif de micro-irrigation dans le contexte de la réutilisation des eaux usées épurées en irrigation / Soutenance de thèse Nancy RIZK
Doctorante: Nancy RIZK
Date de soutenance: le 21 juillet 2017 à 10h30 au centre IRSTEA de Montpellier
Résumé des travaux :
Dans le contexte d’un changement global atteignant les paramètres hydro-écologiques et biodémographiques généraux, la micro-irrigation utilisée en agriculture avec des eaux usées traitées constitue une approche prometteuse visant à réduire les dépenses en eau. Cependant, le colmatage des systèmes de micro-irrigation constitue une contrainte à l’utilisation de ces eaux contenant des micro-organismes, nutriments et sels dissous. Ces contaminants peuvent entrainer des précipitations chimiques avec développement de biofilms qui dégradent les performances des systèmes d’irrigation. Consécutivement on peut ainsi situer les objectifs de cette étude: i) Caractériser la précipitation des sels dissous due aux variations des conditions opératoires le long des systèmes de micro-irrigation, ii) étudier le développement des biofilms par l’utilisation d’une eau usée traitée sous différentes conditions hydrodynamiques, iii) analyser certaines interactions entre la précipitation chimique et le développement du biofilm. En premier lieu une étude a été conduite sur l’impact des paramètres qui influent sur la précipitation chimique, comme la température le pH et la pression partielle du CO2. Cette étude a permis de quantifier l’augmentation de la masse du précipité produit sous forme de calcite (carbonate de calcium) en fonction de l’augmentation du pH et de la température. Les résultats expérimentaux ont permis de valider et de calibrer la modélisation de la précipitation sous PHREEQC. Cette modélisation permet de prédire et de quantifier la précipitation chimique pour une qualité d’eau donnée dans des conditions opératoire variées de pH, de température et de pression partielle du CO2. Des expérimentations ont ensuite été réalisées à l’aide d’un banc d’essai d’irrigation pour étudier l’influence du carbonate de calcium sur la croissance des biofilms au niveau des conduites de micro-irrigation et des goutteurs (organe de distribution). En parallèle un réacteur de Taylor-Couette (RTC) fut utilisé pour étudier l’influence de la contrainte de cisaillement sur le développement des biofilms. Selon la position dans le système d’irrigation, 3 contraintes de cisaillement ont été identifiées puis analysées. Dans la conduite une contrainte de 0.7 Pa a été retenue et 2.2 et 4.4 Pa dans les goutteurs. On constate que le biofilm a tendance à se développer sous la plus forte contrainte de cisaillement. Une précipitation du carbonate de calcium sous forme de calcite, à été observée en interaction avec la croissance du biofilm.
Mots-clés: Biofilm, carbonate de calcium, contrainte de cisaillement, précipitation chimique, PHREEQC.
Jury :
Dr. Nassim AIT MOUHEB Chargé de recherche G-EAU, IRSTEA, Montpellier Examinateur
Pr. Christophe DAGOT Professeur Université de Limoges Rapporteur
Dr. Renauld ESCUDIE Directeur de recherche LBE, INRA, Narbonne Rapporteur
Pr. Marc HERAN Professeur Université de Montpellier Examinateur
Dr. Bruno MOLLE Ingénieur de Recherche G-EAU, IRSTEA, Montpellier Examinateur
Pr. Nicolas ROCHE Professeur Université d’Aix-Marseille Directeur de thèse
5 juillet 2017
- Mise en forme et enrobage d’ingrédients pharmaceutiques par procédés supercritiques / Soutenance de thèse Rania DJERAFI
Doctorante: Rania DJRAFI
Date de soutenance: le 5 juillet à 14h30 - Grand Amphi du CEREGE / Arbois
Résumé des travaux :
Ce travail de thèse a été dédié à l'élaboration de formulations de médicaments par procédé Supercritique Anti-Solvant (SAS). L'étude a été divisée en deux sections : la production de co-précipités de médicament / polymère en utilisant le procédé SAS et l’enrobage de particules de taille micrométrique en utilisant un lit fluidisé couplé au procédé SAS. L'éthyl cellulose a été choisi comme polymère biocompatible pour la préparation des deux systèmes. La micronisation de l'éthyl cellulose par procédé SAS a été réalisée avec succès ; des particules submicroniques ayant une taille moyenne de 300 nm ont été obtenues. Des formulations composites micronisées, de quercétine et de rifampicine avec de l'éthyl cellulose, ont été élaborées par co-précipitation à pression et température modérées (10 MPa et 35 °C). Selon les conditions opératoires utilisées, des tailles et distributions de taille des particules, des morphologies, mais aussi des taux de cristallinité et des taux de chargement du médicament différents ont été observés. La co-précipitation de la quercétine avec de l'éthyl cellulose a conduit à l'obtention de particules quasi-sphériques amorphes avec une taille moyenne comprise entre 150 et 350 nm et avec une efficacité d'encapsulation élevée allant jusqu'à 98%, permettant ainsi une bonne stabilité dans le temps de la quercétine encapsulée contre l'oxydation. Des co-précipités de taille submicronique chargés par la rifampicine avec des granulométries comprises entre 190 et 230 nm ont été obtenus avec une efficacité d'encapsulation élevée allant jusqu'à 96%. La forme amorphe des co-précipités est restée stable après 6 mois de stockage à 75% d'humidité relative et à température ambiante. Les études de libération in vitro ont montré une libération prolongée de la rifampicine à partir des co-précipités.
L'étude de faisabilité d'une nouvelle méthode d’enrobage par lit fluidisé en milieu supercritique couplé à l'utilisation du procédé SAS a été réalisée. Ce procédé vert alternatif permet d’enrober des particules micrométriques avec peu d'agglomération et une bonne qualité du film d’enrobage. Des expériences d’enrobage de billes de verre ont été effectuées dans des conditions opératoires variées pour deux configurations d'injection différentes, pulvérisation par le haut ou par le bas de l’autoclave. De meilleurs résultats ont été obtenus dans les expériences de pulvérisation par le haut, notamment en termes de qualité du film d’enrobage. Ce travail de thèse apporte des éléments nouveaux et pertinents pour un meilleur contrôle des procédés d’enrobage en milieu supercritique.
Mots-clés : Systèmes de délivrance de médicaments, procédé anti-solvant, fluidisation, co-précipitation, enrobage.
Jury:
Rapporteurs :
Pr
Jacques FAGES
Ecole des Mines d’Albi-Carmaux
Dr Soraya RODRIGUEZ
Université de Valladolid
Examinateur :
Pr
Abdeslam MENIAI
Université de Constantine 3
Directrices de thèse :
Pr Elisabeth BADENS
Aix-Marseille Université – Marseille
Dr Christelle CRAMPON
Aix-Marseille Université – Marseille
Dr Yasmine MASMOUDI
Aix-Marseille Université – Marseille
19 Juin 2017
- Le fractionnement supercritique applique à des composes d’intérêt industriel / Soutenance de thèse Cyril DUFOUR
Doctorant Cyril DUFOUR
Date de soutenance: Lundi 19 juin 14h30 - Amphi du CEREGE
Résumé:
Le fractionnement par CO2 supercritique est un procédé séparatif très sélectif mais encore peu exploité à l’échelle industrielle. L’industrie des plantes à parfum est en recherche constante de techniques séparatives permettant la purification de molécules d’intérêt issues d’extraits végétaux. Les travaux de cette thèse ont eu pour objectif de mettre en avant le potentiel du fractionnement supercritique et d’étudier ses performances lorsqu’il est appliqué à des mélanges complexes. L’étude a été focalisée sur la purification du sclaréol contenu dans un mélange complexe. Pour cela, une étude préliminaire a permis d’identifier l’alimentation ayant les propriétés les plus adaptées à un fractionnement supercritique. Des mesures de masses volumiques, de viscosités et d’équilibres de phases ont été réalisées pour caractériser les différents types d’alimentation, mais aussi identifier les conditions opératoires les plus favorables pour mettre en place un fractionnement supercritique sélectif. Par la suite, une première phase expérimentale de fractionnement supercritique a été menée à température constante sur une colonne garnie d’une hauteur utile de 2,6 m pour un diamètre interne de 30 mm. Ces essais ont permis de montrer les paramètres opératoires les plus influents sur la purification du sclaréol. Certains de ces résultats ont pu être modélisés avec succès à l’aide d’un modèle simple. Une seconde phase expérimentale a permis de mettre en évidence l’intérêt d’un reflux interne pour augmenter la sélectivité de la séparation. Enfin, un couplage du fractionnement supercritique avec la distillation moléculaire a été proposé pour ouvrir une nouvelle voie dans la chaîne de purification du sclaréol. Une amélioration significative du taux de pureté en sclaréol et du rendement a été démontrée.
Mots clés: fractionnement supercritique, sclaréol, plan d’expériences, modélisation.
Rapporteurs :
Dr Séverine CAMY
ENSIACET – Toulouse
Pr Xavier FERNANDEZ
Université Nice – Sophia Antipolis
Examinateur :
Dr Hubert Alexandre TURC
LPSD – CEA Marcoule
Co-encadrants :
Mme Claire DELBECQUE
Bontoux SAS –Saint-Auban-sur-l’Ouvèze
M Pierre-Philippe GARRY
Bontoux SAS –Saint-Auban-sur-l’Ouvèze
Directrices de thèse :
Pr Elisabeth BADENS
Aix-Marseille Université – Marseille
Dr Christelle CRAMPON
Aix-Marseille Université – Marseille
19 Mai 2017
- "Applicabilité de la réduction de modèles à la conception aérothermique collaborative des systèmes d'air secondaire des turbomachines" / Soutenance de thèse Pierre COSTINI
Doctorant Pierre COSTINI
Date de soutenance: Vendredi 19 Mai à 14h00 dans l’amphithéâtre A ( ECM )
Résumé:
La conception de turboréacteurs nécessite la capacité de
réaliser des calculs thermiques couplés instationnaires sur un moteur
complet et l'intégralité d'une mission du moteur monté. Pour faire face à
ce besoin quotidiennement en bureaux d'études, l'approche de conception
actuelle emploie des modèles simplifiés de l'écoulement interne de
refroidissement, basés en grande partie sur l'expérience accumulée au
cours des programmes moteurs précédents.
Les futurs concepts de moteurs, attendus comme plus en rupture avec
les architectures actuelles, risquent par conséquent de sortir du
domaine de validité de ces modèles simplifiés. Ceci crée un besoin pour
des approches de modélisation alternatives afin de faire face à ces
situations hors domaine d'expérience.\par
Les méthodes actuelles de calcul haute fidélité impliquant des
calculs de mécanique des fluides numérique sont suffisamment générales
et précises pour être appliquées à ces problématiques. Néanmoins, ces
approches souffrent toujours d'un temps de restitution inadapté pour
traiter de longs calculs couplés transitoire sur une mission complète en
bureaux d'études.
Une réponse séduisante à cette contradiction serait la construction de
modèles de remplacement moins coûteux à partir de l'exploitation en
amont de ces modèles haute fidélité. Ces modèles de coût réduit
pourraient ensuite être intégrés dans un modèle simplifié d'écoulement
dans le système d'air secondaire. Cette solution est explorée dans cette
thèse qui investigue son applicabilité pour la modélisation
aérothermique d'ensemble.
Dans le contexte industriel, les
approches de réduction de modèles non
intrusives sont favorisées. Elles se heurtent toutefois rapidement au
"fléau de la dimensions" lorsque le nombre de paramètres d'entrée
augmente, comme c'est le cas en pratique pour espérer les utiliser en
bureaux d'études. Pour contourner cette difficulté, une approche basée
sur l'application de la Décomposition Orthogonale en modes Propres pour
réduire simultanément les dimensions des espaces d'entrée et de sortie
est proposée puis appliquée sur un cas simple de cavité aval de
turbine basse pression fictive. Cette approche est rendue possible par
le couplage des modèles de référence de l'écoulement et de la structure
lors de la phase d'échantillonnage.
A conditions limites d'entrée du fluide fixées, les modèles réduits
construits à partir des premiers échantillons de couplage permettent une
bonne approximation du modèle de référence jusqu'à la convergence. Des
résultats encourageants sont obtenus à conditions limites variables,
ouvrant la voie à une intégration de ces modèles réduits dans des
modèles d'ensemble.
Mots clés : turboréacteur, système d'air
secondaire, réduction de modèle, modèle de remplacement, écoulement,
Kriging, ANOVA, décomposition orthogonale en modes propres, couplage,
thermique d'ensemble, réseau fluide
Jury:
M. Pierre SAGAUT Université Aix-Marseille Directeur de these Mme Maria Vittoria SALVETTI Università di Pisa Rapporteur M. Angelo IOLLO Université de Bordeaux et Inria Bordeaux Sud-Ouest Rapporteur M. Eric SERRE Université Aix-Marseille, CNRS Examinateur M. Sébastien DA VEIGA Safran Tech Examinateur M. Jean-Christophe JOUHAUD CERFACS Examinateur M. Michel BERGMANN INRIA Examinateur M. Thomas FEDERICI Safran Tech Invité
15 Décembre 2016
- "Développement d'un dispositif de production et de purification portatif d'un médicament : Application à la mucoviscidose" / Soutenance de thèse Sophie ARENILLAS
Doctorant: Sophie ARENILLAS
Date de soutenance: jeudi 15 décembre à 10h à l'Europôle de l'Arbois (huit clos)
Résumé:
La mucoviscidose est une maladie
génétique mortelle qui limite ou empêche la production de composés
antimicrobiens tels que l’hypothiocyanite (OSCN-)
et la lactoferrine. L’objectif de cette étude est de produire un
médicament contenant ces deux composés antimicrobiens (10 mL). Cependant
l’hypothiocyanite est instable et nécessite une production juste avant
administration. Pour cela, une unité de production
de médicament portable, destinée à une utilisation par le patient à
domicile, est développée avec un appareil réutilisable comprenant le
système de pilotage du procédé et une cassette jetable composée par le
circuit fluidique et le module membranaire. Le développement
du circuit fluidique associé à un module membranaire nécessaire à la
purification de l’hypothiocyanite, présent dans le milieu réactionnel,
en prenant en compte les contraintes pharmaceutiques, constitue le
verrou scientifique et technologique de cette thèse.
Au travers de deux géométries membranaires testées, l’étude des
paramètres opératoires pour la réalisation de la réaction enzymatique
(mécanique des fluides, ultrafiltration, réaction) a permis de mieux
appréhender et d’optimiser la production d’hypothiocyanite
mais aussi de mettre en évidence les paramètres clés de l’élimination
de la glycérine, présente initialement dans les membranes. En parallèle
des essais cliniques modifiant les contraintes imposées, l’unité de
production et la cassette jetable développées
ont permis d’obtenir des résultats proches de ces nouvelles
contraintes.
Jury
Philippe BORDEAU, Directeur de recherche, Alaxia, Lyon
Eric FAVRE, Professeur des Universités, LRGP, Nancy
Emmanuel MONNIN, Chef de projet, Eveon, Montbonnot Saint Martin
Philippe MOULIN, Professeur des Universités, Aix Marseille Université
Christophe SERRA, Professeur des Universités, Institut Charles Sadron, Strasbourg
Christelle WISNIEWSKI, Professeur des Universités, Faculté des Sciences pharmaceutique et biologiques, Montpellier
