Instabilité, turbulence et contrôle

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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

  • Christophe Friess, Lars Davidson. A formulation of PANS capable of mimicking IDDES. International Journal of Heat and Fluid Flow, Elsevier, 2020, 86, pp.108666. ⟨10.1016/j.ijheatfluidflow.2020.108666⟩. ⟨hal-02944327⟩ Plus de détails...
  • S. Zhao, G. Farag, Pierre Boivin, P. Sagaut. Toward fully conservative hybrid lattice Boltzmann methods for compressible flows. Physics of Fluids, American Institute of Physics, 2020, 32 (12), pp.126118. ⟨10.1063/5.0033245⟩. ⟨hal-03087980⟩ Plus de détails...
  • Tatyana Lyubimova, Anatoly Lepikhin, Yanina Parshakova, Vadim Kolchanov, Carlo Gualtieri, et al.. A Numerical Study of the Influence of Channel-Scale Secondary Circulation on Mixing Processes Downstream of River Junctions. Water, MDPI, 2020, 12 (11), pp.2969. ⟨10.3390/w12112969⟩. ⟨hal-02989736⟩ Plus de détails...
  • S. Guo, Yongliang Feng, Jérôme Jacob, F. Renard, Pierre Sagaut. An efficient lattice Boltzmann method for compressible aerodynamics on D3Q19 lattice. Journal of Computational Physics, Elsevier, 2020, 418, pp.109570. ⟨10.1016/j.jcp.2020.109570⟩. ⟨hal-02960161⟩ Plus de détails...
  • Thomas Astoul, Gauthier Wissocq, Jean-François Boussuge, Alois Sengissen, Pierre Sagaut. Analysis and reduction of spurious noise generated at grid refinement interfaces with the lattice Boltzmann method. Journal of Computational Physics, Elsevier, 2020, 418, pp.109645. ⟨10.1016/j.jcp.2020.109645⟩. ⟨hal-02960150⟩ Plus de détails...
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Dernières rencontres scientifiques

Soutenances de thèses et HDR

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
Mme Laure VERMARE / Ecole Polytechnique / Rapporteur
Jeudi 15 octobre 2020 à 14h - 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 

    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