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

  • 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...
  • E. Yim, P. Meliga, F. Gallaire. Self-consistent triple decomposition of the turbulent flow over a backward-facing step under finite amplitude harmonic forcing. Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, Royal Society, The, 2019, 475 (2225), pp.20190018. ⟨10.1098/rspa.2019.0018⟩. ⟨hal-02177032⟩ Plus de détails...
  • Pierre Magnico. Electro-Kinetic Instability in a Laminar Boundary Layer Next to an Ion Exchange Membrane. International Journal of Molecular Sciences, MDPI, 2019, 20 (10), pp.2393. ⟨10.3390/ijms20102393⟩. ⟨hal-02177052⟩ Plus de détails...
  • Uwe Ehrenstein. Thrust and drag scaling of a rigid low-aspect-ratio pitching plate. Journal of Fluids and Structures, Elsevier, 2019, 87, pp.39-57. ⟨10.1016/j.jfluidstructs.2019.03.013⟩. ⟨hal-02090856⟩ 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
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
Vendredi 20 Septembre 2019 - Méthodes numériques alignées pour problèmes elliptiques anisotropes en domaines bornés pour simulations du plasma de bord / Soutenance de thèse de Juan Antonio SOLER VASCO
Doctorant : Juan Antonio SOLER VASCO

Date de la soutenance : 20 septembre 2019, à 13h30 / Amphithéâtre 3, Centrale de Marseille, 38 rue Frédéric Joliot Curie, 13013 Marseille 

Résumé de la thèse :
Les problèmes elliptiques hautement anisotropes se présentent dans de nombreux modèles physiques qui doivent être résolus numériquement. Une direction de diffusion dominante est alors introduite (appelée ici direction parallèle) le long de laquelle le coefficient de diffusion est plusieurs ordres de grandeur plus grands que dans la direction perpendiculaire. Dans ce cas, les méthodes aux différences finies standard ne sont pas conçues pour fournir une discrétisation optimale et peuvent conduire à une diffusion perpendiculaire artificielle potentiellement importante, résultant d’erreurs dans l’approximation de la diffusion parallèle.
Cette thèse se concentre sur trois axes principaux pour résoudre les équations elliptiques anisotropes de manière appropriée : un schéma aligné et conservatif de différences finies pour discrétiser l’opérateur Laplacien, une reformulation de l’équation de Helmholtz pour réduire la diffusion numérique, et un solveur basé sur les méthodes multi-grille comme préconditionneur d’un solveur GMRES.
Les deux premiers chapitres sont consacrés à la présentation du cadre de cette thèse.
Au chapitre 1, une brève introduction à la fusion par confinement magnétique est présentée, identifiant les problèmes numériques soulevés par la résolution des équations fluides, en particulier dans la région proche au bord (Scrape-Off-Layer). Le problème numérique que nous allons traiter est essentiellement un problème elliptique anisotrope où la diffusion est de 5 à 8 ordres de grandeur plus grande dans la direction parallèle que dans la direction perpendiculaire.
Dans le chapitre 2, une introduction bibliographique aux méthodes numériques résolvant les équations elliptiques anisotropes est présentée, avec un accent sur les méthodes aux différences finies.
Dans le chapitre 3, un schéma de discrétisation aligné est proposé en utilisant des grilles cartésiennes non alignées. Selon la méthode Support Operator Method (SOM), la propriété d’autoajoint de l’opérateur de diffusion parallèle est maintenue au niveau discret. Par rapport aux méthodes existantes, la formulation actuelle garantit la conservation des flux dans des directions parallèles et perpendiculaires. De plus, dans les domaines bornés, une discrétisation des conditions aux limites est présentée afin d’assurer une précision comparable de la solution. Des tests numériques basés sur des solutions manufacturées montrent que la méthode est capable de fournir des approximations numériques précises et stables dans des domaines périodiques et bornés avec un nombre considérablement réduit de degrés de liberté par rapport autres approches non aligneés.
Une reformulation de l’équation de Helmholtz est présentée au chapitre 4 pour limiter la diffusion numérique liée à la discrétisation du Laplacien pour les valeurs élevées de diffusion parallèle. La méthode est basée sur la séparation de la solution en une partie alignée et non alignée, par rapport à l’opérateur de diffusion parallèle, gr\^ace à des méthodes de filtrage. Les cas de tests montrent que cette reformulation de l’équation de Helmholtz élimine la diffusion perpendiculaire numérique, avec une efficacité d’autant plus accrue que les valeurs de diffusivité parallèle sont élevées.
Afin de résoudre efficacement les équations anisotropes elliptiques pour les grands systèmes d’équations, un solveur itératif basé sur des algorithmes multi-grilles géométriques est proposé au chapitre 5. Cet algorithme est plus tard posé comme préconditionneur d’un solveur GMRES, exhibant une réduction drastique du temps et de la mémoire requise par rapport à des solveurs directs résolvant les équations Helmholtz et Poisson, et ce pour différents types de conditions aux limites.
La thèse est conclue par une analyse critique des aspects numériques des discrétisations alignées étudiées. Une attention particulière est accordée à l’application des méthodes étudiées dans les codes de turbulence plasma 3D, tels que TOKAM3X développé par le CEA.


Jury
Monsieur Bruno DESPRES, Professeur, CNRS / Laboratoire Jacques Louis Lions, Université Pierre et Marie Curie, Paris, France.
Monsieur Sergio AMAT PLATA, Professeur, Universidad Politécnica de Cartagena, Espagne.
Madame Francesca RAPETTI, Maître de Conférences, Université de Nice Sophia Antipolis, Nice, France.
Monsieur Éric SERRE, Directeur de Recherche, CNRS / M2P2, Marseille, France.
Monsieur Frédéric SCHWANDER, Maître de Conférences, M2P2/École Centrale de Marseille, France.
Monsieur Jacques LIANDRAT, Professeur, I2M/ École Centrale de Marseille, France.
Membres invités
Monsieur Giorgio GIORGIANI, M2P2, Marseille, France.
Monsieur Patrick TAMAIN, IRFM-CEA Cadarache, St. Paul-lez-Durance, France