Instabilité, turbulence et contrôle

Ecoulements aérodynamiques

Ecoulements biologiques

Ecoulements pour la fusion magnétique

Hydrodynamique et transferts pariétaux

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Présentation

L’équipe développe une expertise en simulation numérique et analyse prédictive d’écoulements dans des domaines d'applications centrés sur l’aéronautique, la fusion, les écoulements pulmonaires et les transferts hydrodynamiques. Des méthodes numériques innovantes et optimisées y sont développées pour répondre à des enjeux scientifiques fondamentaux, des applications industrielles, et des problématiques sociétales actuelles.
L’équipe compte actuellement 10 chercheurs et enseignants chercheurs, et se structure autour de 4 axes de recherche :

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Dernières publications de l'équipe

  • M. Meldi, A. Mariotti, M. Salvetti, P. Sagaut. Numerical investigation of skewed spatially evolving mixing layers. Journal of Fluid Mechanics, Cambridge University Press (CUP), 2020, 897, pp.A35. ⟨10.1017/jfm.2020.407⟩. ⟨hal-02892248⟩ Plus de détails...
  • G. Farag, S. Zhao, T. Coratger, Pierre Boivin, G. Chiavassa, et al.. A pressure-based regularized lattice-Boltzmann method for the simulation of compressible flows. Physics of Fluids, American Institute of Physics, 2020, 32 (6), pp.066106. ⟨10.1063/5.0011839⟩. ⟨hal-02885427⟩ Plus de détails...
  • Y. Feng, S. Guo, J. Jacob, P. Sagaut. Grid refinement in the three-dimensional hybrid recursive regularized lattice Boltzmann method for compressible aerodynamics. Physical Review E , American Physical Society (APS), 2020, 101 (6), pp.063302. ⟨10.1103/PhysRevE.101.063302⟩. ⟨hal-02892273⟩ Plus de détails...
  • Simon Gsell, Etienne Loiseau, Umberto D’ortona, Annie Viallat, Julien Favier. Hydrodynamic model of directional ciliary-beat organization in human airways. Scientific Reports, Nature Publishing Group, 2020, 10 (8405), ⟨10.1038/s41598-020-64695-w⟩. ⟨hal-02614711⟩ Plus de détails...
  • Elena Alekseenko, B. Roux. Risk of wind-driven resuspension and transport of contaminated sediments in a narrow marine channel confluencing a wide lagoon. Estuarine, Coastal and Shelf Science, Elsevier, 2020, 237, pp.106649. ⟨10.1016/j.ecss.2020.106649⟩. ⟨hal-02524483⟩ Plus de détails...
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Dernières rencontres scientifiques

Soutenances de thèses et HDR

Jeudi 15 octobre 2020 à 14h (soutenance reportée à une date ultérieure...) - Couplage entre le transport d'un soluté, la pression osmotique et les instabilités hydrodynamiques dans la configuration de Taylor-Couette-Application aux procédés de filtration membranaires / Soutenance de thèse Rouae BEN DHIA
Doctorant : Rouae BEN DHIA               
  
Date de la soutenance :  Jeudi 15 Octobre 2020 à 14:00
    Ecole centrale Marseille, 38 Rue Frédéric Joliot Curie, 13451 Marseille
      Amphi 3 (soutenance reportée à une date ultérieure...

      Résumé : 

      L'osmose inverse RO est par exemple l'un des processus de filtration membranaire les plus importants qui jouent un rôle primordial dans les technologies de purification de l'eau. Néanmoins, les performances du RO sont limitées par la polarisation de la concentration. Aucune étude quantitative n'existe pour évaluer comment les instabilités hydrodynamiques interagissent avec la pression osmotique élevée à la surface de la membrane en raison de la polarisation de la concentration. Ce projet de recherche s'intéresse au couplage entre les instabilités hydrodynamiques et la pression osmotique liée à la formation d'une couche limite de concentration au niveau de la membrane. L'impact des instabilités hydrodynamiques sur le flux de filtration est étudié qualitativement et quantitativement ici. Les instabilités hydrodynamiques considérées sont celles observées dans l'écoulement Taylor-Couette, connues par vortex de Taylor. La configuration de Taylor-Couette est donc utilisée comme un modèle de systèmes RO. Pour aborder qualitativement et quantitativement les interactions entre le transfert de masse, les instabilités hydrodynamiques et la pression osmotique dans la cellule de Taylor-Couette, deux approches analytiques et numériques sont développées. L'approche analytique est basée sur une analyse de stabilité linéaire et faiblement non linéaire. L'analyse de stabilité linéaire est utilisée pour prédire les conditions critiques correspondant à l'apparition de structures tourbillonnaires sous l'effet de la pression osmotique. Il a été démontré que la pression osmotique liée au flux transmembranaire radial a un effet significatif sur la stabilité de l'écoulement. En développant la théorie faiblement non linéaire, des instabilités hydrodynamiques ont été identifiées utiles pour améliorer le débit de filtration malgré la présence de la pression osmotique. L'approche numérique est basée sur des simulations numériques directes (DNS) utilisant la méthode de collocation spectrale. DNS montre un excellent accord avec les prévisions analytiques pour la plupart des cas. De plus, elle permet de quantifier l'impact des instabilités sur le flux de perméat à travers les membranes. Les résultats démontrent l'augmentation du flux de perméat.  

      Jury: 

      Directeur de these M. Pierre HALDENWANG Aix Marseille Université / M2P2
      Directeur de these M. Denis MARTINAND Aix Marseille Université / M2P2
      Rapporteur Mme Cécile LEMAITRE LRGP, Université de Lorraine - ENSIC
      Rapporteur M. Innocent MUTABAZI Université le Havre Normandie
      Examinateur M. Nils TILTON Department of Mechanical Engineering, Colorado School of Mines
      Examinateur Mme Caroline GENTRIC Université de Nantes / GEPEA
      Mercredi 4 Décembre 2019 - Etude des méthodes lattice Boltzmann pour les simulations de systèmes d'air secondaires de turbomachines / Soutenance de thèse de Gauthier WISSOCQ
      Doctorant : Gauthier WISSOCQ 

      Date de la soutenance : Mercredi 4 décembre 2019 à 10:00,  CERFACS 42 Avenue Gaspard Coriolis, 31100 Toulouse / Salle Jean-Claude André 

      Résumé de la thèse :
      Ces dernières décennies, l'optimisation du rendement des turbomachines s'est traduite par une augmentation constante de la température d'air en veine primaire. Des températures élevées pouvant avoir des effets néfastes sur la durée de vie du moteur en raison de charges thermiques trop importantes ou de jeux mal contrôlés, un système de refroidissement efficace et bien dimensionné est indispensable. C'est notamment le rôle du circuit de bore cooling, composé d'une succession de cavités tournantes, dans lesquelles une compétition a lieu entre les forces d'inertie, les gradients de température et la convection forcée induite par un jet axial. Ces phénomènes donnent naissance à des écoulements instationnaires complexes, non-axisymmétriques et de périodicité a priori inconnue. La simulation de tels écoulements représente un défi majeur pour la modélisation numérique, nécessitant des codes adaptés aux calculs instationnaires longs et tridimensionnels. Cette thèse se consacre à l'étude d'une méthode numérique particulière pour la simulation de tels écoulements : la méthode de Boltzmann sur réseau, ou lattice Boltzmann method (LBM), qui possède les avantages d'être intrinsèquement instationnaire, relativement rapide et parfaitement adaptée aux géométries tridimensionelles complexes. Dans un premier temps, une étude des instabilités apparaissant dans les cavités tournantes soumises à des gradients de température radiaux est proposée. Des analyses de stabilité linéaire sont appliquées à des cas de géométries annulaires représentatives des plans axiaux des cavités tournantes. Elles permettent de déterminer la structure de l'écoulement en régime linéaire ainsi que les nombres de Rayleigh et Reynolds critiques d'apparition d'instabilités. Néanmoins, ces analyses ne permettent pas de rendre compte des effets non linéaires du cycle limite qui nécessitent une méthode adaptée. La suite de la thèse se consacre au potentiel de la LBM pour de telles simulations. Une étude fine des instabilités numériques pouvant survenir dans les conditions d'application de la méthode est proposée. Une méthodologie particulière développée durant cette thèse, basée sur l'approche de von Neumann, permet d'identifier clairement les ondes propagées par le schéma et souligne les phénomènes numériques à l'origine des instabilités. Cette étude met en évidence l'effet de nombreux paramètres sur la stabilité numérique tels que le choix du lattice et du modèle de collision. Une analyse proposée sur les modèles régularisés souligne deux propriétés fondamentales de ces schémas qui ont une grande influence sur la stabilité numérique en écoulement subsonique. Des applications de la LBM aux écoulements de cavités tournantes sont finalement réalisées. Le logiciel commercial PowerFLOW, seul code LBM suffisamment mature pour des modélisations de gaz parfait, est utilisé. Le code est évalué sur des cas académiques de complexité croissante (cavité bidimensionnelle, cavité fermée et cavité tournante avec flux d'air de refroidissement) et comparé aux résultats d'analyse linéaire, à des calculs issus de la littérature et à des données expérimentales. Une configuration multi-étagée est enfin simulée, pour laquelle un couplage à flux de chaleurs conjugués est réalisé afin de rendre compte des transferts radiatifs et exploiter au mieux les données d'essai. Les résultats soulignent de très bonnes estimations des profils de température, indiquant une bonne modélisation des phénomènes complexes contribuant aux échanges thermiques. 

      Mots clés : LBM,Lattice-Boltzmann,turbomachines,cavités tournantes

      Jury
      Directeur de these M. Pierre SAGAUT Aix Marseille Université
      Rapporteur M. Florian DE VUYST Université de Technologie de Compiègne
      Rapporteur M. Tony ARTS Von Karman Institute for Fluid Dynamics
      Examinateur Mme Françoise BATAILLE Université de Perpignan
      Examinateur M. Nicolas GOURDAIN ISAE-Supaero
      Mardi 2 Décembre 2019 - Synergie entre turbulence et écoulements en configuration divertor – introduction d’éléments de la physique de la turbulence dans les codes de transport / Soutenance de thèse de Serafina BASCHETTI
      Doctorant : Serafina BASCHETTI                  
        
      Date de la soutenance :  Jeudi 2 Décembre 2019, Salle René Gravier  CEA IRFM Saint Paul Lez Durance 13108

      Résumé de la thèse :
      L’opération du réacteur à fusion de prochaine génération, ITER, nécessitera le développement d'outils  numériques  fiables  permettant  d'estimer  les  paramètres  clés  de  fonctionnement  à  un  coût de calcul raisonnable. Les codes de transport répondent à cette exigence car ils reposent sur  des  équations  fluides  bidimensionnelles,  moyennées  sur  les  fluctuations  temporelles,  simulant  les  grandes  échelles  temporelles  de  la  même  manière  que  les  modèles  «  Reynolds  Averaged  Navier-Stokes  »  couramment  utilisés  dans  la  communauté  des  fluides  neutres.  De  plus, les codes de transport peuvent rassembler la plupart des ingrédients physiques régissant le comportement du plasma de bord (topologie magnétique, géométrie et réponse de la paroi...). Cependant,  leur  prévisibilité  est  limitée  par  une  description  inadéquate  des  flux  turbulents  perpendiculaires aux lignes de champ magnétique. En effet les flux perpendiculaires, supposés diffusifs, sont grossièrement déterminés par des coefficients de diffusion homogènes "adhoc" ou empiriques. Pour inclure de l’information sur la turbulence et améliorer la prédictibilité de ces modèles,  nous  présentons  dans  ce  travail  un  nouveau  modèle  pour  estimer  de  manière  cohérente  la  distribution  des  flux  perpendiculaires  dans  les  codes  de  transport.  La  stratégie consiste à introduire en physique des plasmas des outils numériques efficaces largement utilisés dans la communauté de la turbulence en fluides neutres, en particulier le modèle "kepsilon" dans lequel sont introduites des équations de transport pour l'énergie turbulente cinétique moyenne « k » et le taux de dissipation de l’énergie turbulente « epsilon ». Ces équations semi-empiriques dérivées pour les fluides neutres ne peuvent pas être appliqués directement pour la modélisation des flux perpendiculaires dans les plasmas en raison de différentes propriétés de turbulence. Par conséquent, nous suggérons une adaptation du modèle k-epsilon pour les plasmas à confinement magnétique, où deux équations de transport pour l’énergie cinétique turbulente et son taux de dissipation  sont  dérivées  algébriquement,  incluant  la  physique  de  l’instabilité  d’interchange,  responsable de la distribution "ballonnée" du transport perpendiculaire dans le plasma de bord. Différentes approches empiriques sont décrites pour fermer les paramètres libres, notamment via  l’utilisation  de  lois  d’échelle  multi-machines.  Le  nouveau  modèle  est  intégré  au  code  de  transport SolEdge2D-EIRENE, développé en collaboration entre le CEA et le laboratoire M2P2 de l'Université  d'Aix-Marseille.  Les  résultats  numériques  sont  discutés  et  comparés  aux  données  expérimentales sur WEST et TCV. 

      Jury
      Monsieur Eric SERRE, Directeur de Recherche, Laboratoire M2P2/AMU, Marseille, France.
      Madame Martine BAELMANS, Professeur, Université Catholique de Leuven, Belgique.
      Monsieur Ulrich STROTH, Professeur, Max- Planck- Institut Fur Plasmaphysik, Allemagne.
      Monsieur David MOULTON, Docteur, UKAEA Culham, Royaume Uni.
      Monsieur Philippe GHENDRIH, Professeur, CEA Cadarache, France.
      Monsieur Hugo BUFFERANDDocteur, CEA Cadarache, France