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. Tayyab, S. Zhao, Y. Feng, Pierre Boivin. Hybrid regularized Lattice-Boltzmann modelling of premixed and non-premixed combustion processes. Combustion and Flame, Elsevier, 2020, 211, pp.173-184. ⟨10.1016/j.combustflame.2019.09.029⟩. ⟨hal-02346556⟩ Plus de détails...
  • Simon Gsell, Umberto D'ortona, Julien Favier. Explicit and viscosity-independent immersed-boundary scheme for the lattice Boltzmann method. Physical Review E , American Physical Society (APS), 2019, 100 (3), ⟨10.1103/PhysRevE.100.033306⟩. ⟨hal-02339475⟩ Plus de détails...
  • F. Nespoli, P. Tamain, N. Fedorczak, G. Ciraolo, D. Galassi, et al.. 3D structure and dynamics of filaments in turbulence simulations of WEST diverted plasmas. Nuclear Fusion, IOP Publishing, 2019. ⟨hal-02364554⟩ Plus de détails...
  • Yongliang Feng, Pierre Boivin, Jérome Jacob, Pierre Sagaut. Hybrid recursive regularized lattice Boltzmann simulation of humid air with application to meteorological flows. Physical Review E , American Physical Society (APS), 2019. ⟨hal-02265484⟩ Plus de détails...
  • G. Farag, Pierre Boivin, P. Sagaut. Interaction of two-dimensional spots with a heat releasing/absorbing shock wave: linear interaction approximation results. Journal of Fluid Mechanics, Cambridge University Press (CUP), 2019, 871, pp.865-895. ⟨10.1017/jfm.2019.324⟩. ⟨hal-02142649⟩ Plus de détails...
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Dernières rencontres scientifiques

Soutenances de thèses et HDR

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
Mercredi 30 Octobre 2019 - Vers un modèle prédictif pour reproduire les transitions de régime dans les écoulements gaz-liquide dans le code Neptune_CFD: d'un régime dispersé à un régime séparé / Soutenance de thèse de Emmanuel Vianney KUIDJO
Doctorant : Emmanuel Vianney KUIDJO

Date de la soutenance : Mercredi 30 Octobre 2019 à 14:00, Amphithéâtre de l'INSTN, CEA Saclay

Résumé de la thèse :
Dans les réacteurs nucléaires, différents régimes d'écoulements gaz-liquide peuvent apparaître avec des transitions entre eux. La modélisation de ces transitions dans les codes CFD 3D requière le traitement d'interfaces déformables de différentes tailles, la prise en compte d'interactions par coalescence et fragmentation ainsi que le développement de lois de fermeture indépendantes du régime. Ce travail vise la modélisation et la simulation de l'hydrodynamique des écoulements gaz-liquide adiabatiques grâce à un modèle bifluide à trois champs dans NEPTUNE_CFD. Dans une première étape, un modèle avec un champ liquide continu et deux champs de gaz dispersés représentant petites et grandes bulles est utilisé pour simuler des écoulements cap et churn avec un taux de vide jusqu'à /recherche-m2p2-19/technopole-chateau-gombert-155/instabilites-turbulence-controle-27/.5$ et une emphase est mise sur la prédiction de l'aire interfaciale. Dans une seconde étape, le deuxième champ dispersé est remplacé par un champ hybride continu/dispersé représentant les grandes bulles et les régions continues de gaz. Le modèle est validé sur plusieurs régimes d'écoulements en tuyaux de large diamètre et dans des canaux rectangulaires confinés. 

Mots clés : écoulements gaz-liquide, régimes d'écoulement, modèle bifluide multichamp, équation de transport de l'interfaciale, NEPTUNE_CFD

Jury
Directeur de these M. Pierre SAGAUT Aix Marseille Université / M2P2
Rapporteur M. Eric GONCALVES École Nationale Supérieure de Mécanique et d'Aérotechnique (ENSMA)
Rapporteur Mme Maria Vittoria SALVETTI Université de Pise
CoDirecteur de these M. Rémi ABGRALL Université de Zürich / Institut de Mathématiques
Examinateur Mme Maria Giovanna RODIO CEA Saclay
Examinateur M. Marc MASSOT Ecole Polytechnique / Centre de Mathématiques Appliquées