Modeling and simulation of forest fire propagation
Mixture thermodynamics
Thermodynamics, Numerical Waves, Interfaces, Combustion Team
Présentation
The TONIC team is developing an activity of modeling of strongly multi-scale phenomena. It covers in particular multiphase and/or reactive flows, from the scale of the isolated injector (a few mm) to the scale of a fully developed forest fire (several hectares).
Adapted numerical methods are developed in parallel, in particular for soil imaging (detection of slicks by acoustic analysis), or for the modeling of radiative transfers.
In parallel to these multi-scale developments, analytical work is carried out to support the construction of models. An important research effort is devoted to the modeling of the thermodynamics of multiphase mixtures (thermochemical equilibrium calculations, complex thermodynamic closures), or to the development of reduced kinetic models for combustion.
équipe Thermodynamiques, Ondes, Numérique, Interfaces et Combustion
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Dernières publications de l'équipe
2022
Said Taileb, Alejandro Millán-Merino, Song Zhao, Pierre Boivin. Lattice-Boltzmann modeling of lifted hydrogen jet flames: A new model for hazardous ignition prediction. Combustion and Flame, 2022, 245, pp.112317. ⟨10.1016/j.combustflame.2022.112317⟩. ⟨hal-03796395⟩ Plus de détails...
This numerical study deals with the hazardous ignition of a jet flame in a vitiated co-flow. A novel formulation, based on a passive scalar variable, will be presented to predict hydrogen auto-ignition events. The model, derived from the theoretical analysis of the Jacobian, correctly describes the appearance and absence of auto-ignition in complex configurations based on initial thermodynamic and mixture conditions. No chemical reaction and species equations are required to perform the simulations. Results of Lattice Boltzmann Methods (LBM) simulations of a 3D H 2 /N 2 Cabra flame will be presented using a detailed H 2-Air mechanism. Validation against experimental and numerical results will be provided for the lift-off (distance to auto-ignition). The passive scalar predictions are successfully compared with the reactive simulations. The results show a potential extension of this model to an extensive spectrum of hydrogen safety and large-scale turbulent combustion applications.
Said Taileb, Alejandro Millán-Merino, Song Zhao, Pierre Boivin. Lattice-Boltzmann modeling of lifted hydrogen jet flames: A new model for hazardous ignition prediction. Combustion and Flame, 2022, 245, pp.112317. ⟨10.1016/j.combustflame.2022.112317⟩. ⟨hal-03796395⟩
Alejandro Millán-Merino, Said Taileb, Pierre Boivin. A new method for systematic 1-step chemistry reduction applied to hydrocarbon combustion. Proceedings of the Combustion Institute, 2022, ⟨10.1016/j.proci.2022.08.052⟩. ⟨hal-03825847⟩ Plus de détails...
We propose a new single-step mechanism for the combustion of arbitrary hydrocarbons and alcohols. Unlike most single-step models, no tabulation is required, as the method builds upon a new analytical description of the thermochemical equilibrium of fuel-oxidizer mixtures including dihydrogen and carbon monoxide-two species usually discarded in one-step descriptions-yielding correct adiabatic temperature. The single-step chemistry includes varying stoichiometric coefficients, ensuring a convergence towards thermochemical equilibrium regardless of the local state. The reaction rate is then carefully adjusted to reproduce accurately premixed flames. To tackle ignition simultaneously, an additional passive scalar advection-diffusion-reaction equation is introduced, with a rate fitted on ignition delays. The scalar then serves as an efficiency to modify the single-step reaction rate in autoignition configurations. The obtained scheme is then validated for a wide range of equivalence ratios on homogeneous reactors, premixed flames, a triple flame, and a counterflow diffusion flame. The new analytical thermochemical equilibrium formulation may also serve in speeding up infinitely fast chemistry calculations.
Alejandro Millán-Merino, Said Taileb, Pierre Boivin. A new method for systematic 1-step chemistry reduction applied to hydrocarbon combustion. Proceedings of the Combustion Institute, 2022, ⟨10.1016/j.proci.2022.08.052⟩. ⟨hal-03825847⟩
Adil Mouahid, Pierre Boivin, Suzanne Diaw, Elisabeth Badens. Widom and extrema lines as criteria for optimizing operating conditions in supercritical processes. Journal of Supercritical Fluids, 2022, 186, pp.105587. ⟨10.1016/j.supflu.2022.105587⟩. ⟨hal-03797377⟩ Plus de détails...
Adil Mouahid, Pierre Boivin, Suzanne Diaw, Elisabeth Badens. Widom and extrema lines as criteria for optimizing operating conditions in supercritical processes. Journal of Supercritical Fluids, 2022, 186, pp.105587. ⟨10.1016/j.supflu.2022.105587⟩. ⟨hal-03797377⟩
Mostafa Taha, Song Zhao, Aymeric Lamorlette, Jean-Louis Consalvi, Pierre Boivin. Lattice-Boltzmann modeling of buoyancy-driven turbulent flows. Physics of Fluids, 2022, ⟨10.1063/5.0088409⟩. ⟨hal-03661928⟩ Plus de détails...
The pressure-based hybrid lattice-Boltzmann method presented by Farag & al (Phys. Fluids 2020) is assessed for the simulation of buoyancy driven flows. The model is first validated on Rayleigh-Benard and Rayleigh-Taylor two-dimensional cases. A large-eddy simulation of a turbulent forced plume is then carried out, and results are validated against experiments. A good overall agreement is obtained, both for mean and fluctuations quantities, as well as global entertainment. The self-similarity character of the plume in the far-field is also recovered.
Mostafa Taha, Song Zhao, Aymeric Lamorlette, Jean-Louis Consalvi, Pierre Boivin. Lattice-Boltzmann modeling of buoyancy-driven turbulent flows. Physics of Fluids, 2022, ⟨10.1063/5.0088409⟩. ⟨hal-03661928⟩
Guanxiong Wang, Song Zhao, Pierre Boivin, Eric Serre, Pierre Sagaut. A new hybrid lattice-Boltzmann method for thermal flow simulations in low-Mach number approximation. Physics of Fluids, 2022, 34 (4), pp.046114. ⟨10.1063/5.0091517⟩. ⟨hal-03796386⟩ Plus de détails...
A new low-Mach algorithm for the thermal lattice Boltzmann method (LBM) is proposed aiming at reducing the computational cost of thermal flow simulations in the low Mach number limit. The well-known low Mach number approximation is adopted to accelerate the simulations by enlarging the time step through re-scaling the psuedoacoustic speed to the same order of the fluid motion velocity. This specific process is inspired by the similarity between the artificial compressibility method and the isothermal LBM and is further extended to its thermal counterpart. It must be emphasized that such low-Mach acceleration strategy is in a general form, thus can be easily applied to other compressible LB methods. The present method overcomes the drawback of the classical pressure gradient scaling method due to the pressure gradient changing. The new algorithm is validated by various well-documented academic test cases in laminar [one dimensional gravity column, 2D (two dimensional) rising thermal bubble, and 2D differentially heated square cavity] and turbulent [3D (three dimensional) Taylor–Green vortex and 3D heated cylinder] regimes. All the results show excellent agreement with the reference data and high computational efficiency.
Guanxiong Wang, Song Zhao, Pierre Boivin, Eric Serre, Pierre Sagaut. A new hybrid lattice-Boltzmann method for thermal flow simulations in low-Mach number approximation. Physics of Fluids, 2022, 34 (4), pp.046114. ⟨10.1063/5.0091517⟩. ⟨hal-03796386⟩
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
4 janvier
- Étude numérique et expérimentale d’un jet de plasma intensifié / Soutenance de thèse Nicolas GODINAUD
Doctorant : Nicolas GODINAUD
Date : le mercredi 4 janvier 2023 à 14h dans l’amphithéâtre 3 de Centrale Marseille
Résumé : Ce travail est axé sur la découpe par torche au plasma. Ce procédé industriel permet de couper des plaques de métaux au moyen d’un arc électrique qui est transféré sur les pièces à séparer. Par le gaz injecté à fort débit, ces torches de découpe produisent des jets de plasma supersoniques sous-détendus qui atteignent des températures pouvant dépasser 30 kK. Les zones des pièces métalliques impactées par ces jets chauds entrent ainsi en fusion et les forces inertielles importantes conduisent à l’expulsion du métal liquide vers l’extérieur des pièces, créant alors des saignées de découpe. Les pressions de gaz injectées dans les torches de découpe plasma récentes étant de plus en plus élevées (jusqu’à plus de 10 atmosphères), il est important de caractériser au mieux les effets liés à l’aspect supersonique et aux ondes de choc sur les jets de découpe.
Dans le cadre de cette étude des jets de plasmas supersoniques, un nouveau solveur numérique permettant de capturer les ondes de choc avec précision est présenté. Le solveur développé est basé sur un schéma volumes finis de type Godunov, adapté à la simulation d’écoulements supersoniques. Les résultats numériques ainsi obtenus sont comparés à ceux déterminés à partir des solveurs présentés dans la littérature pour la modélisation des plasmas de découpe. Ces comparaisons sont d’abord un moyen de validation de l’outil développé, mais elles mettent également en avant une bien meilleure capacité du nouveau solveur à capturer les ondes de chocs présentes dans les jets de découpe pour des nombres de Mach élevés. Des mesures expérimentales sur une torche plasma ont également été effectuées au cours de ce travail. Celle-ci sont comparées aux résultats de simulations réalisées avec le nouveau solveur sur une configuration torche similaire. Outre l’apport de nouveaux éléments de validation du solveur, ces comparaisons entre résultats numériques et expérimentaux permettent aussi de mieux décrire la structure de l’écoulement à l’intérieur de la torche plasma.
Mots clés : Découpe plasma, Simulation numérique, Jets supersoniques, Solveurs de Riemann, Mesures expérimentales.
