The originality of M2P2 lies in its research themes in the fields of Computational Fluid Mechanics and Chemical Engineering. Research in mechanics and modeling is associated with a strong methodological development around calculation codes for the simulation of natural and industrial flows. In the field of process engineering, the research concerns the development of innovative processes as well as the study of the problems involved in these processes within the framework of a strong contractual activity.
Jérémie Labasse, Uwe Ehrenstein, Guillaume Fasse, Frédéric Hauville. Thrust scaling for a large-amplitude heaving and pitching foil with application to cycloidal propulsion. Ocean Engineering, 2023, 275, pp.114169. ⟨10.1016/j.oceaneng.2023.114169⟩. ⟨hal-04032117⟩ Plus de détails...
A numerical solution procedure using the mesh-superposition approach, known as the Chimera method, together with the OpenFOAM toolbox environment is used to compute the forces generated by large amplitude heaving and pitching foil. The possibility of fitting thrust prediction laws, based on classical potential flow theories, with the numerically computed forces is explored, for a Reynolds number of 5 10 4. It is shown, first for a pure heaving motion and subsequently by adding a harmonic pitching motion, that theoretical scaling may be fitted to numerical time-averaged thrust data, even in the case of large amplitude motions. The thrust-prediction law is shown to still apply to pitching-rotating motions, such as those of blades in cycloidal propulsion devices, the mean pressure correction due to the additional surging motion being small. The synchronized rotation-pitching of three foils typical of a cross-flow propeller configuration is addressed as well. The numerical global thrust results are shown to be in general agreement with the theoretical prediction, but also with blade-embedded load cell measurements for an experimental device developed by the French Naval Academy Research Institute.
Jérémie Labasse, Uwe Ehrenstein, Guillaume Fasse, Frédéric Hauville. Thrust scaling for a large-amplitude heaving and pitching foil with application to cycloidal propulsion. Ocean Engineering, 2023, 275, pp.114169. ⟨10.1016/j.oceaneng.2023.114169⟩. ⟨hal-04032117⟩
J. Yang, M. Monnot, Y. Sun, L. Asia, P. Wong-Wah-Chung, et al.. Microplastics in different water samples (seawater, freshwater, and wastewater): Removal efficiency of membrane treatment processes. Water Research, 2023, 232, pp.119673. ⟨10.1016/j.watres.2023.119673⟩. ⟨hal-03989908⟩ Plus de détails...
The distribution and fate of microplastics in different water sources and their treatment plants (seawater, three municipal wastewaters, a pharmaceutical factory wastewater, and three drinking waters) in France were studied. Currently, research in this field is still under exploration since almost no relevant standards or policies have been introduced for the detection, the removal, or the discharge of microplastics. This study used an improved quantitative and qualitative analytical methodology for microplastic detection by μ-FTIR carried out with siMPle analytical software. By investigation, wastewater was determined to contain the most abundant microplastics in quantity (4,203-42,000 MP·L-1), then followed by surface water/groundwater (153-19,836 MP·L-1) and seawater (around 420 MP·L-1). Polyethylene was the dominant material in almost all water types followed by polypropylene, polystyrene, and polyethylene terephthalate. Almost all treatment technologies could remove microplastics whatever the feed water types and concentration of microplastics, though some treatment processes or transport pipes could cause additional contamination from microplastics. The four WWTPs, three DWTPs, and SWTP in France provided, respectively, 87.8-99.8%, 82.3-99.9%, 69.0-96.0% removal/retention of MPs in quantity, and provided 97.3-100%, 91.9-99.9%, 92.2-98.1% removal/retention of MPs in surface area. Moreover, ultrafiltration was confirmed to be an effective technology for microplastic retention and control of dimensions of microplastics in smaller ranges both in field-scale and lab-scale experiments. The 200 kDa ultrafiltration membrane could retain 70-100% and 80-100% of microplastics in quantity and in surface area, respectively.
J. Yang, M. Monnot, Y. Sun, L. Asia, P. Wong-Wah-Chung, et al.. Microplastics in different water samples (seawater, freshwater, and wastewater): Removal efficiency of membrane treatment processes. Water Research, 2023, 232, pp.119673. ⟨10.1016/j.watres.2023.119673⟩. ⟨hal-03989908⟩
Tetyana Kyrpel, Vita Saska, Anne de Poulpiquet, Mathieu Luglia, Audrey Soric, et al.. Hydrogenase-based electrode for hydrogen sensing in a fermentation bioreactor. Biosensors and Bioelectronics, 2023, 225, pp.115106. ⟨10.1016/j.bios.2023.115106⟩. ⟨hal-03963086⟩ Plus de détails...
The hydrogen-based economy will require not only sustainable hydrogen production but also sensitive and cheap hydrogen sensors. Commercially available H2 sensors are limited by either use of noble metals or elevated temperatures. In nature, hydrogenase enzymes present high affinity and selectivity for hydrogen, while being able to operate in mild conditions. This study aims at evaluating the performance of an electrochemical sensor based on carbon nanomaterials with immobilised hydrogenase from the hyperthermophilic bacterium Aquifex aeolicus for H2 detection. The effect of various parameters, including the surface chemistry, dispersion degree and amount of deposited carbon nanotubes, enzyme concentration, temperature and pH on the H2 oxidation are investigated. Although the highest catalytic response is obtained at a temperature around 60 °C, a noticeable current can be obtained at room temperature with a low amount of protein less than 1 µM. An original pulse-strategy to ensure H2 diffusion to the bioelectrode allows to reach H2 sensitivity of 4 µA cm-2 per % H2 and a linear range between 1-20 %. Sustainable hydrogen was then produced through dark fermentation performed by a synthetic bacterial consortium in an up-flow anaerobic packed-bed bioreactor. Thanks to the outstanding properties of the A. aeolicus hydrogenase, the biosensor was demonstrated to be quite insensitive to CO2 and H2S produced as the main co-products of the bioreactor. Finally, the bioelectrode was used for the in situ measurement of H2 produced in the bioreactor in steady-state.
Tetyana Kyrpel, Vita Saska, Anne de Poulpiquet, Mathieu Luglia, Audrey Soric, et al.. Hydrogenase-based electrode for hydrogen sensing in a fermentation bioreactor. Biosensors and Bioelectronics, 2023, 225, pp.115106. ⟨10.1016/j.bios.2023.115106⟩. ⟨hal-03963086⟩
Richard M Lueptow, Rainer Hollerbach, Eric Serre. Taylor–Couette and related flows on the centennial of Taylor’s seminal Philosophical Transactions paper: part 1. Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 2023, 381 (2243), ⟨10.1098/rsta.2022.0140⟩. ⟨hal-03989060⟩ Plus de détails...
In 1923, the Philosophical Transactions published G. I. Taylor’s seminal paper on the stability of what we now call Taylor–Couette flow. In the century since the paper was published, Taylor’s ground-breaking linear stability analysis of fluid flow between two rotating cylinders has had an enormous impact on the field of fluid mechanics. The paper’s influence has extended to general rotating flows, geophysical flows and astrophysical flows, not to mention its significance in firmly establishing several foundational concepts in fluid mechanics that are now broadly accepted. This two-part issue includes review articles and research articles spanning a broad range of contemporary research areas, all rooted in Taylor’s landmark paper. This article is part of the theme issue ‘Taylor–Couette and related flows on the centennial of Taylor’s seminal Philosophical Transactions paper (part 1)’.
Richard M Lueptow, Rainer Hollerbach, Eric Serre. Taylor–Couette and related flows on the centennial of Taylor’s seminal Philosophical Transactions paper: part 1. Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 2023, 381 (2243), ⟨10.1098/rsta.2022.0140⟩. ⟨hal-03989060⟩
Journal: Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences
S. Di Genova, G. Ciraolo, A. Gallo, J. Romazanov, N. Fedorczak, et al.. First 3D modeling of tungsten erosion and migration in WEST discharges adopting a toroidally non-symmetric wall geometry. Nuclear Materials and Energy, 2023, 34, pp.101340. ⟨10.1016/j.nme.2022.101340⟩. ⟨hal-03988791⟩ Plus de détails...
Numerical analyses are a key tool to investigate tungsten (W) sources and contamination in W Environment steady-state tokamak (WEST) plasma discharges. Modelling activity was performed in order to study W erosion and migration at WEST plasma-facing components (PFCs), using for the first time a toroidally asymmetric wall geometry provided by toroidally localized objects representing WEST outer limiter or antennae. 3D non-axisymmetric SOLEDGE transport simulations were performed with simplifying assumptions (pure Deuterium plasma, fluid model for neutrals) to reproduce WEST boundary plasma, and used as background for ERO2.0 simulations modelling W erosion, re-deposition, and migration. On the sides of the toroidally localized limiters/antennae, two thin W stripes were considered in order to model WEST W antennae protections. Simulations suggest antennae protections contribution to dominate W contamination in the considered simulations settings, highlighting the need of further analyses with different configurations using this kind of tools.
S. Di Genova, G. Ciraolo, A. Gallo, J. Romazanov, N. Fedorczak, et al.. First 3D modeling of tungsten erosion and migration in WEST discharges adopting a toroidally non-symmetric wall geometry. Nuclear Materials and Energy, 2023, 34, pp.101340. ⟨10.1016/j.nme.2022.101340⟩. ⟨hal-03988791⟩
3 avril 2023
- Modélisation stationnaire et instationnaire des écoulements turbulents / Soutenance HDR Christophe Friess
Date et lieu : le lundi 3 avril à 14h00 / amphi n°1 Centrale Méditerranée
Résumé : Christophe Friess présentera une partie de ses travaux effectués ou (co-)dirigés depuis l'obtention de son doctorat, au travers de diverses collaborations. Après une rapide synthèse globale sur ses activités pédagogiques et scientifiques, il abordera la thématique de la modélisation de la turbulence, essentiellement en représentation instationnaire à faible coût de calcul (dite "hybride RANS/LES" [*] ) que stationnaire (appelée "RANS" [*]). Les perspectives dégagées par ces travaux seront ensuite présentées, ainsi qu'une liste non exhaustive de thèmes auxquels l'enseignant-chercheur s'intéressera à moyen ou long terme.
[*] RANS = Reynolds-Averaged Navier-Stokes (Navier-Stokes en moyenne de Reynolds)
[*] LES = Large-Eddy Simulation (simulation des grandes échelles)
Jury :
RAPPORTEURS
Paola CINNELLA, professeur à Sorbonne Université / Institut d'Alembert, Paris
Suad JAKIRLIC, professeur à la Technische Universität Darmstadt (Allemagne)
Michel VISONNEAU, directeur de recherche CNRS, LHEEA, Nantes
EXAMINATEURS
Eric SERRE, directeur de recherche CNRS, M2P2, Marseille (président)
Rémi MANCEAU, directeur de recherche CNRS, LMAP, Pau
Stéphane VIAZZO, maître de conférences HDR à Aix-Marseille Université / M2P2 (tuteur)
5 avril 2023
- Adaptabilité spatiale HDG pour la résolution des équations de transport de fluides pour la fusion magnétique dans des configurations de tokamak réalistes / Soutenance de thèse Giacomo PIRACCINI
Doctorant : Giacomo PIRACCINI
Date : le mercredi 5 avril 2023 à 14h00 / Amphi n°3 - Centrale Méditerranée
Résumé : Ce travail consiste à développer et à évaluer des stratégies d'adaptivité $h$ afin d'améliorer les capacités de calcul du solveur de fluide SOLEDGE3X-HDG pour simuler les plasmas de fusion de bord dans des dispositifs magnétiques tels qu'ITER.
Les expérimentations de fusion futures doivent gérer durablement des températures élevées pour permettre les réactions, et par conséquent des flux de chaleur intense sur les parois des tokamaks. Des conditions opérationnelles difficiles doivent être mises en place sur la machine afin de maintenir la combustion du plasma dans le cœur tout en assurant une répartition suffisante de la puissance sur les composants dédiés des parois, en assurant que les flux thermiques à la paroi soient compatibles avec les contraintes imposées par les matériaux du mur. Un plasma dans un tokamak constitue par sa température un environnement extrême, dans lequel les mesures sont difficiles et rares. La modélisation numérique a donc un rôle important à jouer dans l'interprétation des décharges de plasma et l'investigation de moyens d'améliorer les scénarios de plasma.
Dans ce contexte, le code SOLEDGE3X-HDG résout les équations de transport fluide en 2D dans des géométries magnétiques et de paroi de tokamak précises, en utilisant une méthode de Galerkin Discontinue Hybride (HDG). Ce formalisme, construit dans un cadre d'éléments finis d'ordre élevé, est bien adapté à la résolution des équations de conservation dans la géométrie complexe d'un tokamak. L'avancement dans le temps est effectué avec une discrétisation entièrement implicite utilisant des itérations Newton-Raphson. Un désign inadéquat du maillage peut conduire à des difficultés dans le cas où le maillage choisi est trop grossier localement, notamment près de la dernière surface de flux fermée ou sur les coins de la paroi avec des valeurs réalistes des diffusivités turbulentes, ou dans le cas où le maillage est trop raffiné, ce qui conduit à des temps de calcul inacceptables.
Cette thèse explore la possibilité d'automatiser le remaillage grâce à l'adaptivité spatiale de type \textit{h} afin de donner aux utilisateurs un accès plus fiable à des simulations localement raffinées avec des besoins moindres en mémoire et en temps de calcul. Cette investigation est réalisée à l'aide d'un modèle réduit 2D pour la densité ionique et la quantité de mouvement parallèle, qui est pertinent et représentatif du transport du plasma et de son interaction avec la paroi dans le bord d'un tokamak.
Le maillage est optimisé de manière itérative en adaptant la taille des éléments du maillage à l'erreur locale jusqu'à ce qu'un estimateur global de l'erreur atteigne une valeur seuil. Plusieurs estimateurs sont examinés pour caractériser la distribution spatiale de l'erreur et conduire l'optimisation du maillage.
L'estimateur d'erreur basé sur la solution numérique conduit à une amélioration de la discrétisation, réduisant le nombre de degrés de liberté nécessaires tout en conservant une précision suffisante de la solution. La stratégie d'adaptation est encore améliorée par l'utilisation d'un indicateur qui identifie les éléments dans lesquels de fortes oscillations sont présentes et impose le raffinement dans ces éléments.
La stratégie finale développée repose sur une adaptation du maillage basée sur un estimateur de la norme $\mathcal{L}^2$ de l'erreur qui utilise la propriété de superconvergence de la discrétisation HDG pour limiter au minimum l'effort d'évaluation de l'estimateur. La prédiction de la taille d'élément requise localement est ensuite déterminée à l'aide d'une extrapolation de Richardson qui permet à la fois le d'agrandir les éléments ou de les raffiner. Un indicateur d'oscillation, basé sur la contribution d'ordre plus élevé à la norme locale du nombre de Mach, est utilisé simultanément pour raffiner systématiquement les éléments problématiques.
Cette stratégie est testée dans une géométrie réaliste de la section poloïdale d'un tokamak, à la fois sur des calculs statiques des équilibres de transport et sur des calculs instationnaires de la propagation de la perturbation de la densité. On observe que la stratégie d'adaptivité \textit{h} augmente la robustesse des calculs effectués par SOLEDGE3X-HDG et garantit systématiquement que le nombre d'éléments utilisés est inférieur à celui d'un maillage uniforme requis pour le même calcul.
Jury
Directeur de these M. Eric SERRE Aix Marseille Université / M2P2
Rapporteur M. Fabrice DELUZET Institut de mathématique de toulouse
Rapporteur M. Boniface NKONGA Université de Nice Sophia-Antipolis
Président M. Michel MEHRENBERGER Aix-Marseille Université
Co-Directeur de these M. Frédéric SCHWANDER Centrale Méditerranée
10 mars 2023
- Modélisation des écoulements induits par le feu à l'aide des méthodes de Lattice Boltzmann / Soutenance de thèse Mostafa Taha
Doctorant : Mostafa TAHA
Date : le 10 mars 2023 à 14h00 / Amphi 3 ; Centrale Marseille - Plot 6
Résumé : En raison de leur coût de calcul attractif, leurs capacités pour le calcul massivement parallèle, et la facilité à traiter des géométries complexes en utilisant des maillages cartésiens à plusieurs niveaux, les méthodes de Boltzmann sur réseau (LBM) ont connu un intérêt accru dans les domaines universitaire et industriel lors de la dernière décennie. Dans ce travail de doctorat, et pour la première fois, une méthode de Boltzmann sur réseau hybride à base de pression est développée pour simuler des écoulements contrôlés par les forces de flottabilité caractéristiques des incendies avec haute fidélité. Les formulations compressibles et à faible nombre de Mach sont considérées et sont couplées avec des modèles de turbulence et de combustion à l'état de l'art afin de prédire correctement le comportement instationnaire et les caractéristiques de ces écoulements. La cohérence, la mise en œuvre et la robustesse de la LBM proposée sont vérifiées par des cas test canoniques 1-D et 2-D, impliquant la colonne de pression 1-D et les instabilités 2-D de Rayleigh-Bénard et Rayleigh-Taylor. Le modèle LBM est ensuite appliqué à la simulation aux grands échelles (LES) des champs proche et lointain de panaches contrôlés par les forces de flottabilité, chacune de ces régions étant caractérisée par sa propre dynamique. La LES de la région de type panache (c.-à-d. champ lointain) montre la capacité du modèle à reproduire le comportement caractéristique de la région de champ lointain d’un panache forcé. Les profils axiaux et radiaux de vitesse et de température concordent bien avec les données expérimentales, théoriques et numériques. La simulation d'un panache d’hélium de grande taille est ensuite effectuée pour évaluer la capacité du modèle à reproduire la dynamique de la région en champ proche. Différents modèles de turbulence de sous-maille sont comparés dans ces simulations et il a été constaté, comme dans les études précédentes, que les résultats sont plus sensibles à la résolution spatiale qu’au modèle de turbulence. Il est essentiel d’avoir un maillage bien résolu à la base du panache pour saisir la formation d’instabilités entraînées par la flottabilité qui se développent pour générer des structures turbulentes et régir la dynamique du panache. Le mécanisme de "puffing" a été correctement prédit et les profils axiaux et radiaux de la vitesse et de la fraction massique d’hélium correspondaient aux données expérimentales et aux simulations numériques antérieures fondées sur le solveur classique de l’équation de Navier-Stokes. Enfin, une simulation aux grandes échelles d’un feu de méthane à grande échelle purement contrôlé par les forces flottabilité a été réalisées en utilisant le modèle EDC comme modèle de combustion et un modèle simplifié de rayonnement utilisant la fraction rayonnée. Le solveur a pu prédire correctement la dynamique du feu. Ces cas de test ont montré que le modèle LBM développé est entièrement capable de simuler avec fidélité les écoulements associés à des applications incendie et ce à un coût de calcul inférieur aux solveurs classiques des équations de Navier-Stokes.
Jury :
Encadrement
Pierre Boivin (M2P2): Directeur de la thèse
Aymeric Lamorlette (IUSTI): Co-Directeur de thèse
Jean-louis Consalvi (IUSTI): Co-Encadrant de thèse
Membres de jury
Arnaud Trouvé (University of Maryland, USA): Rapporteur
30 janvier
- Filière intensifiée de traitement d’effluents industriels : étude du couplage de procédés membranaires et d’oxydation en voie humide / Soutenance de thèse Emilie GOUT
Doctorante : Emilie GOUT
Date : lundi 30 janvier à 10h00 dans l’amphithéâtre du CEREGE (Technopôle Environnement Arbois - Méditerranée)
Résumé : Les procédés membranaires sont reconnus dans l’industrie pour réduire les volumes d’effluents et générer un perméat de très bonne qualité. Les concentrats générés, hautement concentrés en polluants organiques, pourraient être traités par oxydation en voie humide (OVH). La filière de traitement couplant procédés membranaires à l’échelle industrielle et OVH à l’échelle laboratoire est développée et étudiée dans cette thèse pour traiter six effluents stratégiques et envisager un rejet vers l’environnement. Quatre conditions opératoires pour l’OVH issues d’une campagne préliminaire utilisant un plan d’expériences sur les concentrats de lixiviats ont été utilisées pour cribler les performances de l’OVH sur les autres effluents. Le suivi des performances par analyse du COT, de la DCO et de la fluorimétrie s’est montré complémentaire car différents comportements entre les effluents ont été mis en évidence. Les meilleurs abattements (jusqu’à 98 et 99 % pour le COT et la DCO respectivement) sont généralement obtenus à la plus grande température, indépendamment de la pression totale, avec de plus grandes quantités dégradées pour les effluents à forte DCO. De plus, la période de chauffe avant l’injection de l’oxydant impacte cet abattement de la matière organique en fonction des effluents. Des hypothèses sur la dégradation de la matière organique lors de l’OVH ont pu être proposées par fluorimétrie. La filière de traitement couplant les procédés membranaires et l’OVH présente un fort potentiel car il a été montré qu’un rejet vers l’environnement est possible pour la plupart des effluents étudiés.
Jury
Caroline ANDRIANTSIFERANA Rapporteuse
Maître de Conférences – Université Toulouse III
Catherine CHARCOSSET Présidente du jury
Directrice de Recherches – Université Lyon 1
Sylvain DURÉCU Examinateur
Docteur – Séché Environnement
Marc HÉRAN Rapporteur
Professeur des Universités – Université de Montpellier
Mathias MONNOT Co-directeur de thèse
Maître de Conférences – Aix Marseille Université
Philippe MOULIN Directeur de thèse
Professeur des Universités – Aix Marseille Université
Pierre VANLOOT Invité
Maître de Conférences – Aix Marseille Université
16 janvier
- Développement de la méthode de Lattice Boltzmann pour la simulation de l'aérodynamique interne des moteurs électriques / Soutenance de thèse Stéphane CAPITAINE-VAILLANT
Doctorant : Stéphane CAPITAINE-VAILLANT
Date : lundi 16 janvier à 13h30 ; Amphi 3 / Centrale Marseille
Résumé : L'électrification croissante du parc automobile fait apparaître de nouveaux verrous technologiques. Parmi eux, le refroidissement des moteurs électriques est étudié activement. Cet intérêt est induit par une forte demande de compacité et de puissance des moteurs électriques en vue de leur intégration dans un groupe moto-propulseur dun véhicule. Les méthodes classiques de CFD basées sur la résolution des équations de Navier-Stokes, de par la complexité des écoulements étudiés (écoulements de Taylor-Couette turbulents avec une vitesse de rotation élevée), montrent leur limitation d'un point de vue du temps de calcul. Dans ce contexte, l'objectif de la thèse est d'étudier et de développer la méthode Lattice Boltzmann (LBM) dans le cas de l'aérodynamique interne des moteurs électriques, et plus particulièrement des échanges thermiques des zones fluides. Dans un premier temps, le contexte du sujet de thèse sera détaillé, avec notamment une description du refroidissement des moteurs électriques. Sera aussi présentée une étude bibliographique des écoulements de Taylor-Couette. Ensuite, une description de la LBM sera donnée. Les conditions limites, sujet non trivial pour cette méthode basée sur des variables mésoscopiques, sont abordées par la suite. Un état de l'art sur ce sujet permet de sélectionner les méthodes existantes les plus adaptées à la configuration étudiée. Les résultats des calculs lancés sur configurations académiques pour sonder la capacité de la LBM à simuler ces écoulements sont alors discutés et analysés. Pour finir, la dernière partie est consacrée à l'étude d'un cas industriel grâce à la méthodologie mise en place au préalable.
