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27 novembre 2026 - Modélisation algébrique des flux turbulents pour des écoulements avec masse volumique variable en approche RANS / Soutenance de thèse Billy Kamtchueng Tchuenbou
Doctorant : Billy KAMTCHUENG TCHUENBOU

Date et lieu : vendredi 27 novembre à 14h00 ; amphi N°3, Centrale Méditerranée ; 38 rue Frédéric Joliot Curie,13013 Marseille

Résumé : Les phénomènes pilotés par la turbulence occupent une place récurrente dans les études de sûreté menées sur les installations nucléaires et de nombreuses situations sont caractérisées par des variations significatives de masse volumique. Il s'agit typiquement des enjeux de sûreté liés au risque d'explosion, aussi bien dans le bâtiment réacteur en situation d'accident grave où l'oxydation des gaines de zirconium peut générer une quantité importante d'hydrogène, que dans les locaux où les tuyauteries et les batteries peuvent également conduire à un relâchement important d'espèces inflammables en cas de fuite. Dans ces deux situations, le niveau de turbulence joue un rôle déterminant sur les niveaux de concentration et donc sur le risque d'inflammation et d'explosion du mélange. Si l'analyse de ces situations est souvent abordée à partir d'outils simplifiés, les simplifications adoptées peuvent s'avérer trop restrictives et on observe un recours croissant aux outils de simulation CFD (Computational Fluid Dynamics).

On distingue schématiquement deux types d'approche pour la simulation CFD d'écoulements turbulents ; l'approche statistique, ou Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS), et la simulation aux grandes échelles, ou LES (Large Eddy Simulation). L'approche RANS, qui consiste à décrire l'écoulement turbulent au travers des principaux moments, est réputée avantageuse du fait d'un coût numérique modéré, mais la prédiction de certains écoulements reste encore difficile, en particulier ceux où la flottabilité joue un rôle important. L'approche LES, qui consiste à résoudre les grandes échelles de l'écoulement et à modéliser les petites structures qui ne peuvent être capturées par le maillage, fournit des prévisions de meilleure qualité mais reste nettement plus coûteuse, voire inaccessible, en particulier pour les longs transitoires tels que ceux associés à la formation d'une atmosphère explosive. Dans ce cadre, l'une des stratégies adoptée consiste à améliorer la prévision des approches RANS avec le développement de modèles dits algébriques. Ces modèles issus d’une modélisation au second ordre ont l’avantage d’être plus riches physiquement que les modèles de diffusivité turbulente tout en conservant a priori une certaine robustesse ou, tout du moins, une certaine facilité d'implémentation.

On propose dans ce travail de thèse une modélisation algébrique des tensions de Reynolds et des flux turbulents (masse, température et espèces) pour des écoulements compressibles caractérisés par un faible nombre de Mach turbulent. Après une discussion sur l'intérêt de la moyenne de Favre pour les approches RANS en écoulement compressible, le terme de corrélation pression-déformation fait l'objet d'une attention particulière sur la base de travaux proposés en moyenne de Reynolds. En effet, il joue un rôle central dans les modèles au second ordre et algébrique pour les tensions de Reynolds. Les fermetures sont proposées dans un contexte homogène, c'est-à-dire loin des parois, en se limitant à une expression tensoriellement linéaire. Le terme de brouillage par la pression joue un rôle analogue à la corrélation pression-déformation pour le flux de masse turbulent. Il fait également l'objet d'une attention particulière selon la même démarche. Les fermetures retenues visent à étendre les modèles proposés dans le cadre d'une approximation de Boussinesq à des situations caractérisées par des variations de masse volumique et de dilatation significatives. Enfin, nous développons une formulation générale pour le flux turbulent associé à n'importe quelle grandeur scalaire et nous montrons qu'elle est compatible avec l'inégalité d'entropie dans le cas où la grandeur considérée est l'énergie interne. Nous abordons également dans ce travail certaines difficultés inhérentes aux modèles algébriques qui constituent encore un obstacle majeur à leur mise en oeuvre et leur utilisation systématique. On s'intéresse en particulier, dans le contexte Boussinesq, à la positivité du tenseur de diffusivité turbulente garantissant un principe du maximum pour la température moyenne ou les espèces. Une stratégie est proposée pour assurer cette propriété et l'ensemble des développements est illustré sur des configurations de canal plan et sur une cavité différentiellement chauffée. Enfin, le modèle algébrique proposé est mis en oeuvre sur des configurations de canal plan différentiellement chauffé en régime de faible nombre de Mach et pour de faibles écarts de température. Ces premières applications permettent de vérifier que notre modélisation algébrique pour les écoulements à masse volumique variable contient naturellement les modèles de turbulence valables en approximation Boussinesq.

Mots clés : turbulence ; approche RANS ; masse volumique variable ; modélisation algébrique.

Jury
Paola CINNELLA                         PR, Sorbonne université  - Rapporteure
Rémi MANCEAU                         DR CNRS, LMAP  - Rapporteur
Luminita DANAILA                     PR, Université de Rouen - Examinatrice
Sofiane BENHAMADOUCHE     Senior scientist, EDF Chatou - Examinateur
François CHEDEVERGNE          DR ONERA, TACT -  Examinateur
Eric SERRE                                  DR CNRS, M2P2  - Président du jury
Christophe FRIESS                    MCF, Aix-Marseille Université - Directeur de thèse
Fabien DUVAL                            IR ASNR, LIE - Co-encadrant de thèse
13 novembre 2026 - Algorithmes quantiques de gaz sur réseau pour les équations aux dérivées partielles de la mécanique des fluides / Soutenance de thèse Niccolo Fonio
Doctorant : Niccolo FONIO

Date et lieu : vendredi 13 novembre à 15h00 à Marseille, sur le campus de Luminy, dans l’amphithéâtre 12 du bâtiment B

Résumé : Les algorithmes quantiques pour les équations aux dérivées partielles (EDP) ont suscité un intérêt considérable en raison de leurs avantages computationnels potentiels. Si plusieurs approches efficaces sont été développées pour les équations linéaires, la simulation des EDP non linéaires demeure un défi majeur. En particulier, on ne sait toujours pas si les dynamiques non linéaires peuvent être représentées sous une forme compatible avec les exigences d’un calcul quantique efficace.
Cette thèse étudie les algorithmes de gaz sur réseau (lattice gas algorithms, LGA) comme une voie possible vers des algorithmes quantiques pour les EDP non linéaires. Les LGA font évoluer des entités dynamiques discrètes au moyen d’opérations locales de collision et de propagation (streaming), et ont historiquement conduit à des modèles numériques performants tels que les automates cellulaires de gaz sur réseau (lattice gas cellular automata, LGCA) et la méthode de Boltzmann sur réseau (lattice Boltzmann method, LBM). Leur structure hautement parallèle et leur lien intrinsèque avec la théorie cinétique en font des candidats naturels pour une implémentation quantique.
Nous étudions tout d’abord une formulation quantique directe des automates cellulaires de gaz sur réseau (LGCA). En exploitant le caractère stochastique de ces modèles, nous construisons un algorithme quantique à évolution temporelle pour l’équation de Burgers et montrons que la dynamique des gaz sur réseau peut naturellement engendrer un comportement macroscopique non linéaire. Nous mettons également en évidence une limitation fondamentale de cette approche : un encodage quantique efficace est incompatible avec les exigences simultanées de la propagation par marche quantique (quantum walk) et de la distinguabilité des états du gaz sur réseau. Ce résultat révèle un obstacle structurel aux implémentations quantiques des LGCA conventionnels.
Nous examinons ensuite la méthode de Boltzmann sur réseau (LBM) et montrons que ses opérateurs de collision non linéaires empêchent une concaténation efficace des pas de temps sur un ordinateur quantique pour les EDP non linéaires. Afin de surmonter cette difficulté, nous introduisons un nouveau modèle, l’algorithme adaptatif de gaz sur réseau (adaptive lattice gas algorithm, ALGA), fondé sur des populations entières de particules sur le réseau. Ce modèle fournit un cadre dans lequel les EDP non linéaires peuvent être simulées au moyen d’une évolution temporelle quantique concaténée. Il permet également de retrouver des distributions d’équilibre de type LBM grâce à des règles de collision adaptatives, mais au prix de la perte de cette propriété de concaténation des pas de temps.
Enfin, nous réexaminons les modèles hybrides classique-quantique de gaz sur réseau et montrons que leur formulation quantique conduit naturellement à une dynamique de Boltzmann sur réseau entropique. Celle-ci assure une stabilité numérique inconditionnelle tout en préservant la possibilité d’ajuster les coefficients hydrodynamiques. En nous appuyant sur ce cadre, nous développons un modèle bidimensionnel reproduisant la dynamique non linéaire anisotrope de Burgers.
Dans l’ensemble, les résultats de cette thèse mettent en évidence à la fois les potentialités et les limites des gaz sur réseau quantiques. Nous identifions les principaux obstacles qui empêchent l’obtention d’un avantage quantique direct, tout en proposant de nouvelles formulations de gaz sur réseau ouvrant des perspectives prometteuses pour la simulation quantique des équations aux dérivées partielles non linéaires.

Jury

    Viv Kendon, PR, university of Strathclyde - rapporteure
    Pablo Arrighi, DR INRIA, LMF - rapporteur
    Matthias Moller, Associate Professor, TU Delft - examinateur
    Katepalli Sreenivasan, PR, New York university - examinateur
    David Meyer, PR, UCSD - examinateur
    Pierre Boivin, DR CNRS, M2P2 - Président du jury
    Pierre Sagaut, PR, AMU - directeur de thèse 
    Giuseppe Di Molfetta, PR, AMU - co-directeur de thèse

7 octobre 2026 - Contribution au développement d’un procédé de biodégradation enzymatique pour le traitement des antibiotiques dans l’eau / Soutenance de thèse Giulia Panzironi
Doctorante : Giulia PANZIRONI

Date et lieu : le mercredi 7 octobre 2026 à 9h30 au M2P2, dans l’Amphithéâtre du CEREGE, Technopôle de l'Arbois-Méditerranée, 13545, Aix-en-Provence

Résumé : La résistance aux antimicrobiens est une menace mondiale croissante, qui devrait causer jusqu'à deux millions de décès par an d'ici 2050. Elle est alimentée par l'utilisation généralisée et l'accumulation environnementale des antibiotiques. Une stratégie d'atténuation clé est la dégradation de ces polluants issus des eaux usées avant leur rejet dans les écosystèmes. Dans cette thèse, le potentiel des enzymes comme biocatalyseurs pour la bioremédiation des antibiotiques est étudié. Les criblages initiaux utilisant des laccases fongiques libres de diverses origines et degrés de pureté n'ont pas permis d'inactiver significativement les tétracyclines. Pour étendre leur potentiel oxydatif, un criblage systématique de quatre systèmes laccase-médiateur a été mené à travers 360 conditions expérimentales. Ces essais ont utilisé la laccase purifiée de Pycnoporus cinnabarinus. Les médiateurs évalués comprenaient l'ABTS, l'HBT, le syringaldéhyde (SAD) et l'acide syringique (SAC). Les dosages enzymatiques, les ratios médiateur/substrat et les temps de réaction ont été systématiquement variés. Une approche haut débit originale a été développée pour suivre l'activité antimicrobienne résiduelle pendant la biotransformation de la doxycycline, choisie comme composé modèle. Une stratégie analytique globale a combiné des tests antimicrobiens, la déconvolution spectroscopique UV-Vis et la chromatographie en phase liquide. Cette approche a permis d'élucider avec succès les mécanismes de réaction sous-jacents. De manière cruciale, les tests antimicrobiens ont révélé que la chimie du médiateur régit la réduction de l'activité résiduelle selon l'ordre ABTS > SAD > HBT > SAC. De plus, des intermédiaires radicaux transitoires augmentent temporairement l'activité antimicrobienne. En revanche, des zones d'atténuation spécifiques apparaissent dans le système médié par le SAD à de faibles concentrations d'enzyme. Cette réduction représente une diminution allant jusqu'à 15 000 fois par rapport aux moyennes de la littérature. Ces résultats mettent en évidence le potentiel biotechnologique des médiateurs biosourcés pour minimiser efficacement la consommation de biocatalyseur. Par ailleurs, l'immobilisation covalente de l'enzyme sur des microparticules de silice permet d'étendre la stabilité opérationnelle sous conditions catalytiques de 3 à 11 jours. Cette amélioration a été obtenue dans une gamme élargie de pH allant de 3,0 à 5,0. Ce biocatalyseur hétérogène a maintenu des performances stables sur 20 cycles consécutifs de dégradation de l'ABTS. Il a conservé jusqu'à 80 % de son efficacité à un pH optimisé de 5,5. Globalement, ce travail établit une plateforme rigoureuse pour l'évaluation des traitements enzymatiques. Il démontre une biotransformation à haute efficacité tout en surmontant les verrous techniques liés à la réutilisabilité et à la stabilité opérationnelle des enzymes.

Mots clés : Antibiotiques, procédés d'oxydation, enzymes, traitement de l'eau, résistance aux antimicrobiens.

Jury
Dominique PATUREAU               INRAE, LBE  - Rapporteure
Philippe MICHAUD                      Université Clermont Auvergne - Rapporteur
Christophe DAGOT                     Université de Limoges - Président
Stephan BROSILLON                  Université de Montpellier II - Examinateur
Cristian BARCA                            Aix-Marseille Université - Directeur de thèse
Giuliano SCIARA                          INRAE, BBF - Co-directeur de thèse
Emmanuel BERTRAND               Aix-Marseille Université - Co-encadrant
Eric RECORD                                INRAE, BBF - Invité
8 juin 2026 - Modélisation d'écoulement CO2 supercritique et de transferts thermiques appliquée à une structure de machine thermique innovante / Soutenance de thèse Jian Cardenas Cabezas
Doctorant : Jian CARDENAS CABEZAS

Date et lieu : le lundi 8 juin 2026 à 14h00 dans l’Amphithéâtre N°3, Centrale Méditerranée ; 38 rue Frédéric Joliot Curie,13013 Marseille

Résumé : L'amélioration de l'efficacité énergétique des systèmes industriels constitue un enjeu majeur de la transition énergétique. Une part importante de l'énergie primaire est dissipée sous forme de chaleur fatale, notamment à basse et moyenne température, où les solutions de valorisation restent limitées. Dans ce contexte, les cycles au dioxyde de carbone supercritique (sCO2) suscitent un intérêt croissant grâce à leur compacité, à leur potentiel de rendement élevé et aux propriétés du fluide près du point critique. Leur déploiement reste toutefois freiné par des verrous technologiques et par la difficulté de modéliser le fluide réel. Cette thèse étudie un concept innovant de compression thermiquement entraînée, appelé SHREC, développé avec le partenaire industriel CIXTEN. Contrairement aux cycles de Brayton classiques, fondés sur un compresseur mécanique alimenté électriquement, le dispositif SHREC convertit directement l'énergie thermique, idéalement issue de chaleur fatale, en travail de compression. En réduisant le recours à la compression mécanique, il vise à diminuer la consommation électrique auxiliaire et à améliorer le rendement global des cycles au sCO2. La principale difficulté scientifique réside dans la modélisation du CO2 supercritique. À proximité du point critique, de faibles variations de température ou de densité induisent de fortes non-linéarités sur la densité, la capacité calorifique, la compressibilité et les propriétés de transport. Les hypothèses de gaz parfait ou de propriétés constantes deviennent alors inadaptées. Le dispositif SHREC fonctionne en outre à faible nombre de Mach et dans des géométries complexes, ce qui impose des exigences élevées de stabilité, de conservation de masse et de cohérence thermodynamique. Pour répondre à ces enjeux, une approche de modélisation multi-échelle a été développée. À l'échelle système, un modèle thermodynamique zéro-dimensionnel (0D), fondé sur une équation d'état cubique, a été élaboré pour décrire le comportement du fluide supercritique. Il permet de prédire rapidement les performances globales et de réaliser des analyses de cycle. Des essais expérimentaux sur un prototype à échelle réduite ont permis de mesurer l'évolution de la pression, des températures, de la puissance produite, du coefficient de performance et des destructions d'exergie. Les résultats montrent que les principales irréversibilités se situent dans l'unité expanseur-compresseur et dans les échangeurs de chaleur principaux. À l'échelle locale, un cadre numérique tridimensionnel fondé sur la méthode de Boltzmann sur réseau a été développé et adapté aux fluides réels. Une formulation compressible à faible nombre de Mach a été implémentée et couplée à une équation d'état cubique pour reproduire les effets thermodynamiques supercritiques. Les géométries complexes ont été traitées par la méthode des frontières immergées. L'approche a d'abord été validée sur des jets supercritiques de la littérature, puis appliquée au dispositif SHREC pour résoudre les champs transitoires de température et de pression. La comparaison entre les simulations CFD et le modèle 0D montre que l'hypothèse d'équilibre instantané de pression entre les chambres n'est pas strictement vérifiée. Le modèle 0D ne reproduit pas les déséquilibres locaux, mais il restitue correctement la dynamique globale de compression et de détente, tandis que les simulations CFD fournissent une description détaillée des mécanismes internes d'écoulement et de transfert thermique. Ce travail montre que l'étude fiable des systèmes au sCO2 requiert une combinaison cohérente entre thermodynamique des fluides réels, modélisation réduite, simulations numériques et validation expérimentale. Il contribue au développement de technologies de compression thermiquement entraînée pour la valorisation de chaleur fatale et pose les bases de systèmes compacts pour les cycles énergétiques de nouvelle génération.

Mots clés : CO2 supercritique, Transfert thermique, Machine thermique innovante

Jury
M. BOIVIN Pierre  CNRS, M2P2 - Directeur de thèse
M. RIBERT Guillaume  INSA Rouen Normandie - Examinateur
Mme RASPO Isabelle  CNRS, M2P2 - Examinatrice
M. MELDI Marcello  ENSAM - Président du Jury
M. FERRASSE Jean-Henry  Aix Marseille Université, M2P2 - Co-encadrant
M. FAVIER Julien  Aix Marseille Université, M2P2 - Co-Directeur de thèse
M. SCHMITT Thomas  CNRS, EM2C -Rapporteur
M. SILVA Gonçalo  Universidade de Évora, Portugal - Rapporteur
10 mars 2026 - Optimisation géométrique des échangeurs de chaleur et des réacteurs associée à la minimisation de l'irréversibilité et à la théorie de l'équipartition / Soutenance de thèse Shuxin Zheng
Doctorante : Shuxin ZHENG

Date et lieu : le mardi 10 mars 2026 à 14h00 dans l’Amphithéâtre du Cerege du Technopôle de l'Arbois-Méditerranée

Résumé : Cette étude examine l'effet de la géométrie sur l'efficacité énergétique des échangeurs de chaleur et des réacteurs en appliquant des méthodes de minimisation de la génération d'entropie. Dans un échangeur de chaleur / réacteur concentrique à double enveloppe, quatre diamètres sont optimisés tandis que la chaleur échangée est maintenue constante pour déterminer la longueur afin de minimiser l’irréversibilité totale. Les résultats montrent que les variations géométriques permettent de la réduire. En outre, l'étude examine également l'influence du débit du fluide sur l’irréversibilité et la géométrie optimale correspondante. Dans un réacteur à double enveloppe tubulaire, avec un avancement de réaction de sortie constante, la génération d’entropie du réacteur est minimisée en variant la géométrie du réacteur de différentes formes (cylindrique, conique, hyperbolique et sinusoïdale). Les effets du débit du fluide caloporteur et du mélange réactionnel, de la concentration, de la température des réactifs et de la chaleur de réaction sur l’irréversibilité ont également été étudiés. Une solution bidimensionnelle est utilisée pour analyser la distribution du taux de génération d'entropie à l’aide du logiciel COMSOL Multiphysics. En tant que grandeur associée aux flux, le taux de génération d’entropie locale est déterminé par la somme de la contribution des échanges de chaleur, des dissipations visqueuses et de la réaction chimique. Une comparaison de la distribution de cette valeur locale et des forces motrices est faite entre les géométries optimales et défavorables. Les résultats montrent que dans la configuration optimale, qui minimise la génération d'entropie totale, les distributions de force et de taux de génération d'entropie locale sont plus uniformes, ce qui va dans le sens de la théorie d’équipartition.

Mots clés : Minimisation de la génération d'entropie ; Modélisation ; Équipartition

Jury
Erwin FRANQUET - Professeur Université Côte d’Azur - Rapporteur
Jean-François PORTHA - Maître de Conférences HDR Université de Lorraine - Rapporteur
Eric SCHAER - Professeur Université de Lorraine - Président du jury
Raphaele THERY - Maitresse de Conférences HDR INP Toulouse - Examinatrice
Jean-Henry FERRASSE - Professeur Aix-Marseille Université - Directeur de thèse
Olivier BOUTIN - Professeur Aix-Marseille Université - Co-directeur de thèse
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