Instabilité, turbulence et couplages

Écoulements industriels

Écoulements biologiques

Écoulements pour la fusion magnétique

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Instabilités, Turbulence et Couplages
Présentation

L’équipe développe une expertise multidisciplinaire centrée autour de la modélisation numérique et de l’étude d’écoulements de fluides neutres ou ionisés (plasma) pour l’optimisation de systèmes industriels ou technologiques dans quatre grands domaines à fort impact sociétal : énergie, aménagement  et urbanisme, transport, et santé.
La physique de ces systèmes est celle des phénomènes hors-équilibres et couplés, avec des instabilités conduisant à la turbulence, et des interactions entre fluide et structure, mélange et transferts, turbulence et transport, … qui nécessitent le développement de méthodes et de codes de simulations originaux. Ces études souvent réalisées dans des régimes de paramètres pertinents pour l’application se font dans le cadre de collaborations fortes  avec nos partenaires socio-économiques (AIRBUS, SAFRAN, IRSN, CEA, ITER, AP-HM…) qui sont dans l’ADN de l’équipe.

L’équipe compte actuellement 12 chercheurs et enseignants chercheurs, et  structure son activité autour de 3 grandes familles d’écoulements.

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Doctorants, Post-Doctorants et CDD

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Dernières publications de l'équipe

  • 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...
  • 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...
  • 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...
  • Raffael Düll, Hugo Bufferand, Eric Serre, Guido Ciraolo, Virginia Quadri, et al.. Introducing electromagnetic effects in Soledge3X. Contributions to Plasma Physics, 2024, pp.e202300147. ⟨10.1002/ctpp.202300147⟩. ⟨hal-04474339⟩ Plus de détails...
  • Frédéric Schwander, Eric Serre, Hugo Bufferand, Guido Ciraolo, Philippe Ghendrih. Global fluid simulations of edge plasma turbulence in tokamaks: a review. Computers and Fluids, 2024, 270, pp.106141. ⟨10.1016/j.compfluid.2023.106141⟩. ⟨hal-04352255⟩ Plus de détails...
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Dernières rencontres scientifiques

Soutenances de thèses et HDR

26 juin 2024 - Hydrodynamique et parois perméables: instabilités, filtration, méthodes numériques - Soutenance HDR Denis Martinand
Date et lieu : le mercredi 26 juin à 10 heures, en amphi 3 de Centrale Méditerranée

Résumé : Dans de nombreux problèmes de mécanique des fluides, la nature des conditions aux limites a une telle influence qu'elles en deviennent plus importantes que les équations dynamiques elles-mêmes pour comprendre et prévoir les écoulements en jeu. Depuis quinze ans au M2P2, en suivant cette idée, je m'intéresse aux couplages entre hydrodynamique et transferts à travers des parois perméables et semi-perméables, de façon analytique et numérique.

Cette recherche est motivée d'une part par l'amélioration des procédés de séparation membranaire (de filtration), où l'accumulation de matière retenue dégrade les performances. Les techniques de filtration dynamique cherchent à remélanger cette matière par le biais d'instabilités et d'écoulements turbulents et leur efficacité repose, entre autre, sur une bonne compréhension et modélisation des couplages entre les phénomènes de transferts membranaires et l'hydrodynamique. L'étude de ces couplages présente d'autre part un intérêt fondamental et théorique quant aux mécanismes spécifiques d'instabilité et de mélange ou aux méthodes numériques adaptées.

J'ai étudié ces couplages dans une configuration de type Taylor-Couette, où les instabilités centrifuges sont bien modélisées et maîtrisées. Cette cellule de Taylor-Couette présente la particularité d'avoir un ou deux cylindre(s) perméable(s), laissant passer le solvant et retenant éventuellement un soluté, et dont l'influence sur l'écoulement est décrit par des conditions aux limites spécifiques. La présentation détaillera deux aspects de ces couplages. Une première question concerne le développement des instabilités centrifuges, alors que leur dynamique évolue à mesure que le fluide s'écoule vers l'aval de la cellule et est extrait à travers la membrane. Comprendre et prévoir l'apparition des instabilités peut se faire par leur modélisation en modes globaux non-linéaires, mais les simulations numériques directes montrent aussi une dynamique plus complexe. Une deuxième question concerne le couplage par la pression osmotique entre une couche limite de concentration formée par la filtration d'un soluté et les instabilités centrifuges. On observe, à la fois par les analyses de stabilité et par des simulations numériques directes, que ce couplage promeut les instabilités hydrodynamiques et permet d'augmenter le flux trans-membranaire.

Jury

Dr. Laurette TUCKERMAN, CNRS-Sorbonne Université, Rapporteure
Pr. Uwe HARLANDER, Brandenburgische Technische Universität Cottbus, Rapporteur
Pr. François GALLAIRE, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Rapporteur
Pr. Eric CLIMENT, INP Toulouse, Examinateur
Pr. Richard M. LUEPTOW, Northwestern University, Examinateur
Dr. Eric SERRE, CNRS-Aix-Marseille Université, Examinateur
Pr. Marc MEDALE, Aix-Marseille Université, Tuteur
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