Instabilité, turbulence et couplages

Écoulements industriels

Écoulements biologiques

Écoulements pour la fusion magnétique

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Instabilities, Turbulence and Coupling
Présentation

The team develops a multidisciplinary expertise centered around numerical modeling and the study of neutral or ionized (plasma) fluid flows for the optimization of industrial or technological systems in four major fields with a strong societal impact: energy, urban planning and development, transportation, and health.
The physics of these systems is that of out-of-equilibrium and coupled phenomena, with instabilities leading to turbulence, and interactions between fluid and structure, mixing and transfers, turbulence and transport, ... which require the development of original methods and simulation codes. These studies often carried out in regimes of parameters relevant to the application are done in the context of strong collaborations with our socio-economic partners (AIRBUS, SAFRAN, IRSN, CEA, ITER, AP-HM ...) which are in the DNA of the team.

The team currently has 13 researchers and teachers, and structures its activity around 3 major families of flows.

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Dernières publications de l'équipe

  • Yoshiharu Tamaki, Christophe Friess, Jérôme Jacob, Taro Imamura. Robust implementation strategy for k-omega SST turbulence model with immersed boundary methods. Journal of Computational Physics, 2026, 566, pp.115239. ⟨10.1016/j.jcp.2026.115239⟩. ⟨hal-05782411⟩ Plus de détails...
  • Michel Mehrenberger, Tuan Dung Nguyen, Frédéric Schwander, Eric Serre. An iterated quasi-asymptotic-preserving hybrid discontinuous Galerkin method for highly anisotropic diffusion problems. ESAIM: Mathematical Modelling and Numerical Analysis, 2026, 60 (5), pp.2171 - 2203. ⟨10.1051/m2an/2026057⟩. ⟨hal-05234738v2⟩ Plus de détails...
  • Jérôme Jacob, Samuel Carré, Christophe Friess. A selective frequency damping method for Lattice-Boltzmann solvers. International Journal of Heat and Fluid Flow, 2026, 121, pp.110621. ⟨10.1016/j.ijheatfluidflow.2026.110621⟩. ⟨hal-05782415⟩ Plus de détails...
  • Iason Tsetoglou, Denis Ricot, Song Zhao, Wilfred Bessem, Eduardo Cardenas, et al.. A new conservative formulation of solid boundary conditions for hybrid Lattice–Boltzmann modeling of compressible flows. International Journal of Heat and Fluid Flow, 2026, Special Issue of the 11th International Symposium on Turbulence, Heat and Mass Transfer, 121, pp.110619. ⟨10.1016/j.ijheatfluidflow.2026.110619⟩. ⟨hal-05728653⟩ Plus de détails...
  • R. Vazquez Casique, J F Boussuge, P. Sagaut. A non-uniform local reference frame method for the simulation of rotating geometries with non-conformal grids on the hybrid recursive regularized lattice Boltzmann method. Physics of Fluids, 2026, 38 (9), pp.097101. ⟨10.1063/5.0312566⟩. ⟨hal-05762635⟩ Plus de détails...
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Dernières rencontres scientifiques

Soutenances de thèses et HDR

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
20 novembre 2025 - Numerical simulation of fluid-structure interaction using a Lattice Boltzmann Method (LBM): application to fast transient dynamics leading to structural failure / PhD defense Hippolyte Lerogeron
Doctorant : Hippolyte LEROGERON

Date et lieu : le Jeudi 20 novembre 2025 à 14h00 au laboratoire M2P2,  dans l’amphithéâtre 3, bâtiment Plot 6,  38 Rue Frédéric Joliot Curie, 13013 

Abstract: this PhD thesis investigates the numerical simulation of fast transient events involving fluid-structure interactions using advanced computational methods. The primary goal is to improve computational efficiency in parallel  environments by integrating a Lattice Boltzmann Method within a partitioned fluid-structure coupling solver. In this scope, an existing immersed boundary method is extended to compressible flow regimes in order to handle complex and moving geometries efficiently. Structural dynamics is resolved using a finite element solver. Special attention is given to the treatment of multiple scales in space and time related respectively to fluid and solid domain, enabling optimal resolution of each subsystem. The accuracy and performance of the proposed approach are validated through a series of test cases of increasing complexity, showing strong agreement with experimental results and existing numerical results. Finally, large-scale simulations involving structural fragmentation are realized to demonstrate the method's robustness and scalability for practical applications. These results offer new perspectives for the simulation of explosion-induced fluid-structure interactions, paving the way to faster and more detailed predictions.

Keywords: Fluid-Structure Interaction, Fast Transient, Lattice Boltzmann Method, Immersed Boundary Method, Finite Element, Partitioned Coupling, Fracture, Fragmentation

Jury :
Virginie DARU                     ENSAM             Rapporteure                         
Miguel FERNÁNDEZ            INRIA            Rapporteur
Marc MASSOT                Ecole Polytechnique Paris     Président
Vegard AUNE          NTNU, Norvège             Examinateur
Julien FAVIER                     Université d’Aix-Marseille     Directeur de thèse
Pierre BOIVIN                     CNRS             Co-directeur de thèse
Vincent FAUCHER               CEA Cadarache             Co-encadrant de thèse

13 décembre 2024 - A 3D electromagnetic model in SOLEDGE3X: Application to turbulent simulations of tokamak edge plasma / Raffael Düll PhD Defense
Doctorant : Raffael Düll

Date : Vendredi 13 Décembre 2024 à 15:00 ; CEA Cadarache, bât. 506, 13108 Saint-Paul-Lez-Durance

Abstract: In the tokamak edge, steep gradients and magnetic curvature generate large-scale turbulent structures that transport plasma particles from the hot core, where fusion occurs at around 10 keV, to the much colder Scrape-Off-Layer (SOL), where magnetic field lines intersect the physical wall. Turbulence reduces plasma confinement and defines the region where strong heat fluxes impact the divertor. The drift-reduced fluid code SOLEDGE3X, developed by CEA/IRFM in collaboration with Aix-Marseille University, has proven effective in simulating electrostatic resistive drift-wave turbulence in realistic tokamak geometries. However, both experimental and numerical results have shown that electromagnetic effects significantly impact drift-wave dynamics, and thus, edge plasma turbulence. This thesis introduces a new electromagnetic model in SOLEDGE3X for the vorticity equation, incorporating magnetic induction, electromagnetic flutter, and electron inertia. Magnetic induction accounts for the time variation of the parallel magnetic vector potential Apara in the definition of the parallel electric field, and Apara is related to the parallel current density Jpara via Ampère's law. Fluctuations in the magnetic field, termed flutter, are added at first order and are assumed to be small compared to the equilibrium field. Electron inertia, represented by a finite electron mass in Ohm's law, is necessary to constrain shear Alfvén wave speeds to physical values. The new fields Apara and Jpara are integrated into the flux-surface-aligned FVM framework on a poloidally and toroidally staggered grid. Flutter affects the parallel transport equations and gradients in Ohm's law, and its implementation required special care to account for the new radial component of the parallel direction. To handle timesteps larger than Alfvénic, electron thermal, or electron-ion collision times, the corresponding inductive, inertial, and resistive effects are solved implicitly in a coupled 3D system for the potentials Phi and Apara. The model was verified with manufactured solutions and validated on a linear slab case, which demonstrated the expected transition from Alfvén to thermal electron waves as the perpendicular wavenumber increased. Flutter contributes minimally to cross-field transport but affects the non-adiabatic potential response to density fluctuations in Ohm's law. Simulations in slab, circular (limited), and X-point (diverted) geometries consistently show that electron inertia and magnetic induction destabilize drift-wave turbulence, while flutter stabilizes it in both the linear and nonlinear phases. On open field lines, magnetic induction reduces the sensitivity of turbulent structures to sheath effects, promoting further turbulence spreading in the SOL. Numerically, electron inertia significantly improves the condition number of the vorticity system, especially in hot plasmas with low resistivity, providing a factor-four speedup even in electrostatic scenarios. However, adding flutter degrades code performance, as it requires solving implicit 3D systems for viscosity and heat diffusion problems that were previously treated as uncoupled 2D systems on each flux surface. As an extension to this work, perturbations to the magnetic equilibrium were externally imposed in a transport mode simulation to study heat deposition in a non-axisymmetric magnetic configuration with ripple on WEST. 

Jury:
Directeur de these    M. Eric SERRE CNRS M2P2
Rapporteur            M. Benjamin DUDSON Lawrence Livermore National Laboratory
Rapporteur            M. Boniface NKONGA Université Côté d'Azur
Examinateur            M. Paolo RICCI EPFL
Président            M. Eric NARDON CEA Cadarache
Examinateur            Mme Daniela GRASSO Politecnico de Torino
Co-encadrant de these M. Hugo BUFFERAND CEA Cadarache