Research

2 thematic axes, 6 research teams, 2 sites

The originality of M2P2 lies in its research themes in the fields of Computational Fluid Mechanics and Process Engineering. Research in mechanics and modeling is combined with strong methodological development around calculation codes for the simulation of natural and industrial flows. In the field of process engineering, research focuses on the development of innovative processes, as well as on the study of the issues at stake in these processes, as part of a strong contractual activity.
3 cross-disciplinary axes complete this matrix structure, exploring new avenues of research on innovative and topical projects, taking advantage of cross-team skills.
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2 main research areas, 6 teams

Publications

  • Elena Alekseenko, A.A. Sukhinov, B. Roux. Modeling of multi-fractional suspended particle pathways in a shallow water basin under influence of strong winds. Regional Studies in Marine Science, 2024, 73, pp.103477. ⟨10.1016/j.rsma.2024.103477⟩. ⟨hal-04515082⟩ Plus de détails...
  • Seyed Ali Hosseini, Pierre Boivin, Dominique Thévenin, Ilya Karlin. Lattice Boltzmann methods for combustion applications. Progress in Energy and Combustion Science, 2024, 102, pp.101140. ⟨10.1016/j.pecs.2023.101140⟩. ⟨hal-04412786⟩ Plus de détails...
  • Uwe Ehrenstein. Generalization to differential–algebraic equations of Lyapunov–Schmidt type reduction at Hopf bifurcations. Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation, 2024, 131, pp.107833. ⟨10.1016/j.cnsns.2024.107833⟩. ⟨hal-04408097⟩ Plus de détails...
  • Mostafa Taha, Song Zhao, Aymeric Lamorlette, Jean-Louis Consalvi, Pierre Boivin. Large eddy simulation of fire-induced flows using Lattice-Boltzmann methods. International Journal of Thermal Sciences, 2024, 197, pp.108801. ⟨10.1016/j.ijthermalsci.2023.108801⟩. ⟨hal-04338538⟩ Plus de détails...
  • Jingtao Ma, Lincheng Xu, Jérôme Jacob, Eric Serre, Pierre Sagaut. An averaged mass correction scheme for the simulation of high subsonic turbulent internal flows using a lattice Boltzmann method. Physics of Fluids, 2024, 36 (3), ⟨10.1063/5.0192360⟩. ⟨hal-04514161⟩ Plus de détails...
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Soutenances de thèses et HDR

19 juin 2024 - Récupération de catalyseurs homogènes au palladium issus de milieux pharmaceutiques par procédés membranaires / Soutenance de thèse Adrien Magne
Doctorant : Adrien MAGNE

Date et lieu : Mercredi 19 Juin à 9h, Amphithéâtre du CEREGE, Technopôle de l'Arbois-Méditerranée, 13545 Aix-en-Provence

Résumé : Les catalyseurs homogènes au palladium permettent de réaliser des réactions chimiques aux rendements et sélectivités élevés les rendant ainsi indispensables en pharmaceutique. Cependant, il s’agit de composés toxiques sensibles à la dégradation. Isoler ces catalyseurs en fin de synthèse sans perte d’activité mènerait donc à des gains environnementaux et économiques majeurs. Cette thèse, appliquée à un cas concret du groupe SANOFI, doit répondre à deux problématiques : (i) une matrice de solvants organiques qui a orienté l’étude vers les matériaux céramiques, plus résistants et permettant une industrialisation, et surtout (ii) un catalyseur et un intermédiaire pharmaceutique de tailles similaires, respectivement 701,9 et 568,5 g.mol-1. La nanofiltration de solvants organiques offre ainsi des perspectives intéressantes. Des catalyseurs de substitution plus lourds et/ou plus encombrés ont été sélectionnés et synthétisés, et des membranes de différents seuils de coupure ont été testées. De plus, de nombreuses méthodes analytiques ont été développées pour quantifier les performances du procédé mais également évaluer l’activité du catalyseur au cours de la séparation. Si la séparation n’est pas possible avec des membranes 1 kDa, l'intérêt d’augmenter la taille des composés a été confirmée avec des rétentions en palladium qui augmentent de 13 % (référence) à 18 % (substituant lourd). Les membranes de nanofiltration plus fines ont conduit à des résultats de rétentions légèrement supérieurs mais la caractérisation de celles-ci a conclu que les seuils de coupure étaient similaires, soulevant ainsi la problématique de la définition du seuil de coupure par différents fabricants.

Mots clés : nanofiltration de solvants organiques, membranes céramiques, récupération de catalyseurs, industrie pharmaceutique

Jury :
Murielle RABILLER-BAUDRY, Professeure des Universités à l'Université de Rennes - Rapporteure
Marwen MOUSSA, Maitre de Conférences à INRAE-AgroParisTech - Rapporteur
Didier NUEL, Maitre de Conférences à Centrale Méditerranée - Examinateur
Philippe KNAUTH, Professeur des Universités à AMU - Examinateur
Philippe MOULIN, Professeur des Universités à AMU - Directeur de thèse
Emilie CARRETIER, Professeure des Universités à AMU - Co-directrice de thèse
Thomas CLAIR, Membre invité (Sanofi Winthrop Industrie)
Lilivet Aracelis UBIERA RUIZ, Membre invitée (Sanofi Winthrop Industrie)
10 avril 2024 - Vers une meilleure valorisation de la biomasse de'Arthrospira platensis (Spirulina): Contribution à sa culture et bioraffinerie / Soutenance de thèse Alejandra Gutierrez Marquez
Doctorante : Alejandra GUTIERREZ MARQUEZ

Date et lieu : mercredi 10 avril 2024 à 14h ; Salle P2A BIAM, Bat. 1900 ; Cité des énergies ; CEA-Cadarache

Résumé : Utilisée en agroalimentaire, nutraceutique et cosmétique sous forme brute ou de produit raffiné, A. platensis suscite un intérêt croissant mais sa culture et son bioraffinage représentent un réel défi. Ce doctorat s’est attaché à proposer et tester des procédés durables pour améliorer ces deux aspects.
Ce travail contribue à évaluer le potentiel de réutilisation du CO₂ par A. platensis lors de sa culture et l'impact des photopériodes sur sa productivité en biomasse et pigments. L'assimilation du CO₂ est caractérisée via un modèle adossé à des mesures expérimentales. Dans les conditions de laboratoire testées, une photopériode de 24 heures augmente à la fois la productivité en biomasse de 74 % et la teneur en phycocyanine de 35 %.
Les extractions sous pression sont réalisées par des mélanges éthanol/eau (PLE) et CO₂ supercritique (scCO2). Les conditions optimales trouvées en PLE sont 60°C/100 % d'éthanol et 65 °C/90 % d'éthanol (v/v) à 103 bar, respectivement pour une biomasse avec et sans extraction préalable des phycobiliprotéines par macération. L'extraction par scCO2, dont la cinétique a été modélisée par les équations de Sovová, induit une perte de masse de 7,7 % à 60 °C et 300 bar.
Ce travail permet de proposer un schéma de bioraffinerie en trois étapes, commençant par une première extraction de la biomasse par macération aqueuse afin d’extraire les phycobiliprotéines. Une deuxième étape d’extraction avec une solution d’éthanol sous pression permet ensuite la séparation d’un mélange de pigments lipophiles et composés phénoliques antioxydants. Puis, après séchage, l’extraction de la fraction apolaire par scCO2 permet d’isoler une fraction huileuse riche en caroténoïdes et d’obtenir une biomasse résiduelle riche en protéines.

Mots clés : A. platensis, CO2-mitigation, pigments, valorisation, solvants verts

Jury :
Céline LAROCHE Université Clermont Auvergne / Rapporteur
Miguel HERRERO Institute of Food Science Research, CIAL (CSIC-UAM) / Rapporteur
Abril LANSOY CRES-TOTAL ENERGIES / Examinateur
Luc MARCHAL Université de Nantes  / Président du jury
Elisabeth BADENS Aix-Marseille Université / Directrice de thèse
Christelle CRAMPON Aix-Marseille Université / Co-directrice de thèse
Gatien FLEURY MAP, CEA / Co-encadrant
27 mars 2024 - Study of the dynamics and passive control of heavy ions produced by plasma-wall interaction: toward the elaboration of a predictive model in the suite of codes SOLedge2D-EIRENE from experiments on the tokamak WEST / PhD Defense Luca Cappelli
Doctorant : Luca CAPPELLI

Date : le 27 Mars 2024 à 15h00 ; CEA, IRFM, F-13108 Saint-Paul-Lez-Durance, bâtiment 506, salle René Gravier

Abstract: Fusion, in the context of tokamak devices, is suggested as an alternative for sustainable and high performance energy production. To date, one of the issues preventing its industrial development, concerns plasma-wall interactions. Power discharged from the plasma to the tokamak vessel has two main consequences: gradual erosion of mechanical components and contamination of the plasma by eroded species. Tungsten (W) has emerged as a promising material to enhance the lifespan of mechanical components in tokamaks. However, managing W concentrations in the plasma, especially in comparison to lighter species like carbon, poses a challenge. Ongoing fusion research aims for reliable modeling of erosion and transport of impurities. Modeling is fundamental to support experiments, design and prepare optimized scenarios for future reactors as ITER. In particular fluid models are a promising tool for this end, but they need proper boundary conditions. This Ph.D. thesis delves into the modeling of Werosion and redeposition through Monte Carlo techniques and analytical models in the limit of a collisionless plasma sheath and a smooth eroded surface. The research involves simulating W erosion and transport in the plasma region adjacent to a solid wall, encompassing the combined Debye sheath and Chodura sheath (referred to as the plasma sheath) and a segment of the SOL with dimensions on the order of the Larmor radius of the eroded species. The plasma sheath plays a pivotal role in the erosion and redeposition of W. It is characterized by the presence of a dominant electric field and strong electron density gradients, making kinetic models the only way to solve transport within it. A portion of this research is dedicated to building a model for the sheath, which serves as a plasma background where eroded particle transport is solved using Monte Carlo techniques. The Monte Carlo model computes redeposition probability maps, offering an alternative method to particle tracking for the calculation of redeposition. The study also explores the impact of different impinging energy distributions of ions in both erosion and redeposition. Results indicate that approximating the energy distribution of impinging ions on the eroded material with the average energy underestimates erosion and redeposition only if the average energy is close to the sputtering energy threshold. Otherwise, even using the average energy is accurate. A large database regarding W redeposition was rapidly created using the redeposition probability maps. Data was then used to train a Neural Network (NN), capable of estimating redeposition as a function of local plasma parameters. Additionally, an analytical model is provided to explain the main mechanisms of redeposition and how to roughly estimate redeposition through integration. This approach is less accurate but it is more flexible because it does not need the use of probability maps, nor it is valid for a set of fixed conditions, as the NN. The analytical model allows to rapidly estimate other important parameters such as temperature and average charge state of sputtered and not-redeposited W. Experimental testing validates the sheath model assumptions regarding the electric potential drop, showing good agreement between modeling and experimental measures. Furthermore, the analytical model is applied to the WEST database to gain insights into W sources at the lower divertor. This Ph.D. thesis contributes in plasma-material research providing fundamental insights into the physics of local W erosion and redeposition in the collisionless limit. Beyond its theoretical contributions, this work has practical implications since it provides different modeling tools to estimate local W erosion. Such tools can be integrated into multispecies plasma solvers, paving the way for innovative time-dependent simulations. This in turn could be valuable for the design and optimization of future tokamak reactors incorporating W.

Keywords: Tungsten, Erosion, Redeposition, Plasma-wall interactions, kinetic models, Monte Carlo

Jury :
David TSKHAKAYA - Czech Academy of Sciences / Rapporteur
Andreas KIRSCHNER - Institute of Energy and Climate Research / Rapporteur
Richard PITTS - ITER organization / Examinateur
George TYNAN - University of California San Diego / Examinateur
Clarisse BOURDELLE - IRFM, CEA / Examinatrice
Tiberiu MINEA - University Paris-Saclay / Président du jury
Eric SERRE - M2P2, CNRS / Directeur de thèse
Nicolas FEDORCZAK - IRFM, CEA / Co-encadrant de thèse
Yannick MARANDET - PIIM, CNRS / Membre invité
4 mars 2024 - Simulation et modélisation des propriétés hydroacoustiques des antennes SONAR / Soutenance de thèse Thibaut Rossi
Doctorant : Thibaut ROSSI

Date : le lundi 4 mars 2024 à 14h00 au M2P2, dans l’amphi 3 / Centrale Méditerranée au 38 Rue Frédéric Joliot Curie, 13013 Marseille

Résumé : Les nouvelles générations de sous-marins militaires sont de plus en plus discrètes et donc deviennent de plus en plus difficiles à détecter. Une limitation majeure du seuil de détection est induite par le pseudo-bruit de couche limite généré à proximité des antennes SONAR. La connaissance du spectre en nombre d’onde-fréquence des fluctuations de pression pariétale s’avère indispensable pour estimer ce pseudo-bruit et ainsi améliorer la prédiction des performances et optimiser l’intégration des antennes SONAR sur les porteurs. De plus, une meilleure connaissance de la nature du bruit perçu sur les antennes dans le domaine nombre d’onde-fréquence permet de quantifier les effets des différents traitements du signal utilisés. En effet, les nouveaux traitements SONAR sont sensibles aux corrélations entre capteurs et peuvent dans certains cas présenter une forte amélioration du plancher de bruit perçu en sortie de traitement. Classiquement, on dispose de modèles empiriques pour estimer rapidement ce terme source. Mais le champ d’application de ce type de modèle est circonscrit par les données expérimentales et numériques qui ont servi à leur élaboration, en général des écoulements de plaque plane. En outre, ces modèles ne parviennent pas à estimer correctement les composantes spectrales à l’origine de la majeure partie du pseudo-bruit perçu, et ne sont pas adaptés pour traiter les écoulements turbulents de couche limite avec gradient de pression ou décollement. Dans le cadre de ces travaux de thèse, on propose de développer une méthode d’évaluation du pseudo-bruit généré par des couches limites turbulentes attachées et décollées. Tout d’abord, des simulations des grandes échelles basées sur la méthode de Boltzmann sur réseau sont réalisées pour évaluer la capacité de ce type de solveur à estimer directement le pseudo-bruit d’une couche limite turbulente. Pour cela, des ingrédients numériques particuliers sont utilisés pour stabiliser et réduire le coût numérique des simulations. Ensuite, un modèle analytique est revisité et une procédure numérique est proposée pour calculer le spectre en nombre d’onde-fréquence des fluctuations de pression pariétale de couches limites attachées et décollées. La méthodologie est validée pour une couche limite turbulente sur plaque plane et pour l’écoulement en aval d’une marche descendante. Des données expérimentales sont notamment exploitées pour valider les résultats de la marche descendante.

Mots clés : pression pariétale, équation de Poisson, méthode de Boltzmann sur réseau, simulation des grandes échelles, simulation RANS, écoulement décollé.

Jury :
Xavier Gloerfelt,          Professeur des universités, ENSAM, Rapporteur                        
Marc C. Jacob,           Professeur des universités, École Centrale de Lyon, Rapporteur / Président du jury
Véronique Fortuné,   Maître de conférences, Université de Poitiers, Examinateur 
Lionel Larchevêque, Maître de conférences, Aix-Marseille Université, Examinateur
Pierre Sagaut,            Professeur des universités, Aix-Marseille Université, Directeur de thèse
Raphaël Lardat,          Senior scientific, Thales DMS - UWS, Co-Encadrant

21 février 2024 - Study of Thermoacoustic Instabilities using the Lattice Boltzmann Method / PhD Defense Karthik Bhairapurada
Doctorant : Karthik BHAIRAPURADA

Date : le mercredi 21 février 2024 à 14h00 dans l’amphithéâtre du LMA ; 4, impasse Nikola Tesla ; 13013 Marseille

Abstract : In the quest to address global warming, renewable energy has emerged as a critical focus. Yet, the reality of our current energy landscape makes the complete abandonment of combustion technologies unfeasible. Innovations such as 'Lean Burn' combustion and the integration of cleaner fuels like Hydrogen offer a compromise, balancing immediate energy demands with environmental objectives. However, these advancements also introduce significant challenges, especially the heightened risk of thermoacoustic instabilities in combustion systems, which could lead to catastrophic failures.
Traditional experimental methods for studying and mitigating these instabilities are not only prohibitively expensive but also often impractical. Consequently, there is a growing advocacy for the adoption of advanced numerical methods as efficient and cost-effective alternatives. This thesis underscores the potential of one such method, known as the Lattice Boltzmann Method (LBM). LBM is a numerical method renowned for its distinctive algorithmic structure that facilitates linear interactions between adjacent nodes and enables the local evaluation of non-linear terms. These inherent features endow LBM with computational efficiency and low dissipation properties for acoustics transport, making it a promising tool for simulating flame-acoustic interactions and addressing thermoacoustic instabilities.
This research validates the capabilities of LBM in effectively resolving such instabilities. Through foundational assertions of simple flame-acoustic interactions and simulations within narrow channels, the reliability of the method for investigating combustion instabilities across various scenarios is established. Furthermore, the thesis also explores the field of 'Combustion Noise', demonstrating the potential of LBM in investigating sound generation and propagation phenomena, particularly in hydrogen-fueled combustion scenarios. Finally, the robustness and versatility of LBM in handling thermoacoustic instabilities of turbulent reactive flows in complex geometries are demonstrated through the simulation of an aeronautical burner configuration called PRECCINSTA.
Overall, guided by the importance of innovative numerical methods in bridging the gap between current energy needs and long-term environmental sustainability, this thesis underscores the potential of LBM. Through varied investigations, it not only highlights the capabilities of the method but also contributes to a broader understanding of thermoacoustic phenomena across various settings.

Jury

Mr. Pierre BOIVIN                             Chargé de Recherche, CNRS, France                              Directeur de thèse
Mr. Bruno DENET                             Professeur, AMU, France                                                   Co-Directeur de thèse
Ms. Françoise BAILLOT                   Professeure, CORIA, France                                              Rapporteur
Mr. Vadim KURDYUMOV                 Senior Researcher, CIEMAT, Espagne                               Rapporteur
Mr. Luc VERVISCH                          Professeur, CORIA, France                                                Examinateur
Mr. Laurent GICQUEL                      Senior Researcher, CERFACS, France                              Examinateur
Mr. Julien FAVIER                            Professeur, AMU, France                                                    Président