Téléphone: +33(0)491 11 85 47

Thermodynamique, Ondes, Numérique, Interfaces, Combustion

Effets thermiques dans les systèmes en rotation

Ondes et interfaces immergées

Modélisation des écoulements multiphasiques réactifs

Modélisation et simulation de la propagation des feux de forêts

Thermodynamique des mélanges

Thermodynamique, Ondes Numérique, Interfaces, Combustion
Présentation

L’équipe TONIC (Thermodynamique, Ondes, Numérique, Interfaces et Combustion) développe une activité de modélisation de phénomènes fortement multi-échelles. Elle couvre notamment les écoulements multiphasiques et/ou réactifs, depuis l’échelle de l’injecteur isolé (quelques mm) à l’échelle du feu de forêt pleinement développé (plusieurs hectares). 
Des méthodes numériques adaptées sont développées en parallèle, notamment pour l’imagerie des sols (détection de nappes par analyse acoustique), ou encore pour la modélisation des transferts radiatifs.

En parallèle à ces développements à caractère très multi-échelle, des travaux analytiques sont menés en appui à la construction de modèles. Un important effort de recherche est accordé à la modélisation de la thermodynamique des mélanges multiphasiques (calculs d’équilibre thermochimique, fermetures thermodynamiques complexes), ou encore au développement de modèles cinétiques réduits pour la combustion.

+ Modélisation des écoulements multiphasiques réactifs
+ Ondes et interfaces immergées
+ Modélisation et simulation de la propagation des feux de forêts
+ Thermodynamique des mélanges
+ Effets thermiques dans les systèmes en rotation

Responsable

  • Pierre BOIVIN
    Chargé de Recherche CNRS - HDR
    équipe Thermodynamique Ondes Numérique Interfaces Combustion
x >

Annuaire personnel permanent

  • Pierre BOIVIN
    Chargé de Recherche CNRS - HDR
    équipe Thermodynamique Ondes Numérique Interfaces Combustion
  • Dominique MORVAN
    Professeur des Universités AMU - émérite
    équipe Thermodynamiques, Ondes, Numérique, Interfaces et Combustion
  • Evelyne NEAU
    Professeur des Universités AMU - émérite
    équipe Thermodynamique Ondes Numérique Interfaces Combustion
  • Isabelle RASPO
    Chargée de Recherche CNRS
    équipe Thermodynamiques, Ondes, Numérique, Interfaces et Combustion
  • Grégoire VARILLON
    Maître de Conférences AMU
    équipe Thermodynamique Ondes Numérique Interfaces Combustion
  • Stéphane VIAZZO
    Maître de Conférences AMU - HDR
    équipe Thermodynamiques, Ondes, Numérique, Interfaces et Combustion
x >

Doctorants, Post-Doctorants et CDD

x >

Dernières publications de l'équipe

  • 2025
    Kevin Turgut, Ashwin Chinnayya, Pierre Boivin, Omar Dounia. A simplified thermodynamically-consistent single-step mechanism for hydrogen combustion. International Journal of Hydrogen Energy, 2025, 177, pp.151527. ⟨10.1016/j.ijhydene.2025.151527⟩. ⟨hal-05404957⟩ Plus de détails...

    A simplified thermodynamically-consistent single-step mechanism for hydrogen combustion

    Effective combustion modeling relies on the precise estimation of hydrogenair combustion characteristics. In this sense, Millán-Merino and Boivin [1] designed a single-step mechanism for hydrogen combustion that accurately recovers the adiabatic flame temperature using a variable stoichiometric coefficient formalism. The present study proposes a drastic simplification of this approach (further reducing computational cost and complexity) and formally clarifies the contribution of the variable stoichiometric coefficients and their evolution across the flame internal structure.

    Kevin Turgut, Ashwin Chinnayya, Pierre Boivin, Omar Dounia. A simplified thermodynamically-consistent single-step mechanism for hydrogen combustion. International Journal of Hydrogen Energy, 2025, 177, pp.151527. ⟨10.1016/j.ijhydene.2025.151527⟩. ⟨hal-05404957⟩
    Journal: International Journal of Hydrogen Energy
    Date de publication: 13-10-2025
    Auteurs:
    Digital object identifier (doi): http://dx.doi.org/10.1016/j.ijhydene.2025.151527
    Voir la publication sur Hal
  • 2025
    A. Fayet, Pierre Boivin, J. Perez Manes, S. Mimouni, T. Cadiou. Validation of NEPTUNE_CFD for single-phase natural convection. Nuclear Engineering and Design, 2025, 442, pp.114250. ⟨10.1016/j.nucengdes.2025.114250⟩. ⟨hal-05344238⟩ Plus de détails...

    Validation of NEPTUNE_CFD for single-phase natural convection

    Computational Fluid Dynamics (CFD) is widely used in nuclear engineering for safety related studies, providing a mechanistic solution approach in support of the system and sub-channel numerical scales applied in the safety demonstration. Co-developed by four of the biggest actors of the French nuclear industry, the NEPTUNE CFD code is specialized in nuclear thermal-hydraulics applications allowing to simulate single and two-phase flows on complex geometries. The increasing protagonism of passive systems in new generation reactors demands specific studies regarding its operation and safety. Passive systems are engineered to rely on natural physical phenomena, such as buoyancy or natural convection and to operate without the need of active mechanical components or external power sources. This paper focuses on the validation of NEPTUNE CFD over experimental data of Qureshi and Gebhart [1] -vertical flat plane immersed in water -and semi-empiric correlations from the literature to simulate single-phase natural convection to validate the use of NEPTUNE CFD for simulating passive systems over a wide range of Rayleigh numbers from laminar to turbulent regimes.

    A. Fayet, Pierre Boivin, J. Perez Manes, S. Mimouni, T. Cadiou. Validation of NEPTUNE_CFD for single-phase natural convection. Nuclear Engineering and Design, 2025, 442, pp.114250. ⟨10.1016/j.nucengdes.2025.114250⟩. ⟨hal-05344238⟩
    Journal: Nuclear Engineering and Design
    Date de publication: 01-10-2025
    Auteurs:
    Liste des documents:
    Digital object identifier (doi): http://dx.doi.org/10.1016/j.nucengdes.2025.114250
    Voir la publication sur Hal
  • 2025
    Marc Le Boursicaud, Song Zhao, Jean-Louis Consalvi, Pierre Boivin. Modeling self-ignition of high-pressure hydrogen leaks in confined space. Combustion and Flame, 2025, 280, pp.114386. ⟨10.1016/j.combustflame.2025.114386⟩. ⟨hal-05344209⟩ Plus de détails...

    Modeling self-ignition of high-pressure hydrogen leaks in confined space

    The numerical study of ignition risk in the event of high-pressure hydrogen leakage presents numerous challenges. The first is to properly simulate the complex multi-dimensional flow, characterized by a hemispherical expanding shock and a contact discontinuity. The second is to accurately resolve the di!usion/reaction interface, which exhibits a very small length scale compared to the jet radius. These challenges were addressed in our previous work (Le Boursicaud et al., Combust. Flame 274, 2025), leading to the development of a reduced-order model capable of e"ciently predicting the risk of self-ignition in the case of high-pressure hydrogen storage leakage for various geometries.

    The present work focuses on extending the previously developed model to account for the e!ects of leakage in confined spaces. These modifications include a simple adjustment of the pseudo-1D model to account for shock reflection, as well as the consideration of entropy jumps occurring during the interaction between the reflected shock wave and the di!usion layer. This work is motivated by the potential increase in ignition risk when leaks occur in confined environments, as opposed to the open environments previously considered (Smygalina and Kiverin, Int. J. Hydrog. Energy 47, 2022).

    Novelty and Significance Statement: This work extends a reduced-order model for shock-induced ignition of high-pressure hydrogen leaks from open to confined environments, capturing key e!ects such as shock reflection and shock-contact interaction. It enables e"cient assessment of ignition risk in scenarios where full-resolution simulations are computationally prohibitive.

    Marc Le Boursicaud, Song Zhao, Jean-Louis Consalvi, Pierre Boivin. Modeling self-ignition of high-pressure hydrogen leaks in confined space. Combustion and Flame, 2025, 280, pp.114386. ⟨10.1016/j.combustflame.2025.114386⟩. ⟨hal-05344209⟩
    Journal: Combustion and Flame
    Date de publication: 01-10-2025
    Auteurs:
    Liste des documents:
    Digital object identifier (doi): http://dx.doi.org/10.1016/j.combustflame.2025.114386
    Voir la publication sur Hal
  • 2025
    Xi Deng, Bin Xie, Omar Matar, Pierre Boivin. A novel hybrid approach for accurate simulation of compressible multi-component flows across all-Mach number. Journal of Computational Physics, 2025, 540, pp.114282. ⟨10.1016/j.jcp.2025.114282⟩. ⟨hal-05343677⟩ Plus de détails...

    A novel hybrid approach for accurate simulation of compressible multi-component flows across all-Mach number

    Numerical simulation of multi-component flow systems characterized by the simultaneous presence of pressurevelocity coupling and pressure-density coupling dominated regions remains a significant challenge in computational fluid dynamics. Thus, this work presents a novel approach that combines the Godunov-type scheme for high-speed flows with the projection solution procedure for incompressible flows to address this challenge. To simulate compressible multi-component flows, this study employs the homogeneous model and solves its conservative form by the finite-volume method, which enables the application of the one-fluid model solution procedure while satisfying conservation. The proposed hybrid approach begins by splitting the inviscid flux into the advection part and the pressure part. The solution variables are first updated to their intermediate states by solving the advection part with the all-speed AUSM (Advection Upwind Splitting Method) Riemann solver. The advection flux in AUSM is modified to eliminate the pressure flux term that deteriorates the accuracy at the low Mach region. To prevent the advection flux from causing spurious velocities when surface tension is present, the pressure-velocity coupling term is modified to ensure it vanishes at material interfaces. Then, we derive the pressure Helmholtz equation to solve the final pressure and update the intermediate states to the solution variables at the next time step. The proposed hybrid approach retains the upwind property of the AUSM scheme for high Mach numbers while recovering central schemes and the standard projection solution for low Mach limits. We also prove that the proposed hybrid method is capable of solving the stationary contact discontinuity exactly. To accurately resolve the complex flow structures including shock waves and material interfaces without numerical oscillations, a newly proposed homogenous ROUND (Reconstruction Operator on Unified Normalised-variable Diagram) reconstruction strategy is employed in this work. By simulating high-speed compressible multiphase flows and incompressible multiphase flows, this study demonstrates the ability of the proposed method to accurately handle flow regimes across all Mach numbers. Its capability to address multi-physical processes at all Mach numbers is further validated through simulations of nucleate boiling and the Richtmyer-Meshkov instability with cavitation.
    Xi Deng, Bin Xie, Omar Matar, Pierre Boivin. A novel hybrid approach for accurate simulation of compressible multi-component flows across all-Mach number. Journal of Computational Physics, 2025, 540, pp.114282. ⟨10.1016/j.jcp.2025.114282⟩. ⟨hal-05343677⟩
    Journal: Journal of Computational Physics
    Date de publication: 09-08-2025
    Auteurs:
    Liste des documents:
    Digital object identifier (doi): http://dx.doi.org/10.1016/j.jcp.2025.114282
    Voir la publication sur Hal
  • 2025
    Jinhua Lu, Song Zhao, Pierre Boivin. A lattice-Boltzmann inspired finite volume solver for compressible flows. Computers and Mathematics with Applications, 2025, 187, pp.50-71. ⟨10.1016/j.camwa.2025.03.007⟩. ⟨hal-05086335v1⟩ Plus de détails...

    A lattice-Boltzmann inspired finite volume solver for compressible flows

    The lattice Boltzmann method (LBM) for compressible flow is characterized by good numerical stability and low dissipation, while the conventional finite volume solvers have intrinsic conversation and flexibility in using unstructured meshes for complex geometries. This paper proposes a strategy to combine the advantages of the two kinds of solvers by designing a finite volume solver to mimic the LBM algorithm. It assumes an ideal LBM that can recover all desired higher-order moments. Time-discretized moment equations with second-order temporal accuracy and physically consistent dissipation terms are derived from the ideal LBM. By solving the recovered moment equations, a finite volume solver that can be applied to nonuniform meshes naturally, enabling body-fitted mass-conserving simulations, is proposed. Numerical tests show that the proposed solver can achieve good numerical stability from subsonic to hypersonic flows, and low dissipation for a long-distance entropy spot convection. For the challenging direct simulations of acoustic waves, its dissipation can be significantly reduced compared with the Lax-Wendroff solver of the same second-order spatial and temporal accuracy, while only remaining higher than that of the LBM on coarse meshes. The analysis implies that approximations of third-order temporal accuracy are required to recover the low dissipation of LBM further.
    Jinhua Lu, Song Zhao, Pierre Boivin. A lattice-Boltzmann inspired finite volume solver for compressible flows. Computers and Mathematics with Applications, 2025, 187, pp.50-71. ⟨10.1016/j.camwa.2025.03.007⟩. ⟨hal-05086335v1⟩
    Journal: Computers and Mathematics with Applications
    Date de publication: 01-06-2025
    Auteurs:
    Liste des documents:
    Digital object identifier (doi): http://dx.doi.org/10.1016/j.camwa.2025.03.007
    Voir la publication sur Hal
x >

Dernières rencontres scientifiques

Actualités Archives récentes

Projets en cours

Soutenances de thèses et HDR

Actualités
13 janvier 2026 - Modélisation Lattice-Boltzmann d'écoulements multiphasiques / Soutenance de thèse Thomas Gregorczyk
Doctorant : Thomas GREGORCZYK 

Date et lieu : le mardi 13 janvier, amphi n°3 de Centrale Méditerranée

Résumé : Cette thèse a pour but de proposer de nouveaux schémas numériques pour réaliser des simulations d'écoulements multiphasiques. Le choix de la méthode se fera dans le cadre des méthodes Lattice-Boltzmann qui sont développées depuis plusieurs années au M2P2 pour différentes applications : écoulements compressibles, combustion, détonation, interactions fluide-structure, ...
Ce travail vise à développer un schéma stable pour des configurations athermales mais avec différents rapport de densité et divers nombres de Reynolds. Les récentes avancées du laboratoire seront intégrées au cadre LBM-multiphasique : schéma hybride avec une équation d'Allen-Cahn résolue par volumes finis, approximation low-Mach, schéma conservatif.

Ces nouveaux modèles seront validés de plusieurs manières différentes. D'abord de manière analytique, en vérifiant que le schéma LBM converge vers des équations macroscopiques cohérentes via un développement de Taylor. Ensuite avec des cas test académiques classiques : Poiseuille, Laplace, Rayleigh-Taylor, ...

Le cas test final sera un jet, qui est un cas intéressant qui mêle écoulement haut Reynolds, conditions aux limites d'entrée / sortie, et qui est utile pour un large panel d'applications.

Jury :
Raphaël LOUBÈRE, Rapporteur, DR CNRS, Institut de Mathématiques de Bordeaux 
Timm KRÜGER, Rapporteur, PR, University of Edinburgh                   
Gauthier WISSOCQ, Examinateur, IR, CEA CESTA                                 
Bénédicte CUENOT, Examinatrice, Senior Scientist, CERFACS                     
Vincent MOUREAU, Président du jury, DR CNRS, CORIA                                
Pierre BOIVIN, Directeur de thèse, CR CNRS, M2P2                                 
Song ZHAO, Co-encadrant de thèse, IR CNRS, M2P2            

8 octobre 2025 - Modélisation thermo-hydraulique diphasique d’un écoulement stagnant confiné pour la prédiction du flux critique / Soutenance de thèse Adrien Fayet
Doctorant : Adrien FAYET

Date et lieu : mercredi 8 octobre 2025 à 14h00, amphi n°3, Centrale Méditerranée - M2P2 - 38 Rue Frédéric Joliot Curie, 13013 Marseille

Résumé : Les capsules d’irradiation sont des dispositifs expérimentaux utilisés pour l’étude des matériaux et des combustibles sous irradiation neutronique (effets à long terme, scénarios accidentels ou encore production d’isotopes médicaux). Contrairement aux dispositifs en boucle équipés de pompes, le refroidissement des capsules d’irradiations repose sur la convection naturelle. La chaleur dégagée par l’échantillon combustible est transférée à l’eau environnante, et peut provoquer l’apparition de bulles lorsque le seuil d’ébullition nucléée est atteint. Si le flux critique thermique (Critical Heat Flux, CHF) est dépassé, une transition instantanée vers l’ébullition en film se produit, entraînant une surchauffe soudaine du combustible et des dommages potentiels. La prédiction du CHF est essentielle pour la sûreté et la conception du dispositif, mais demeure complexe car ce phénomène dépend de nombreux paramètres. Bien que l’approche expérimentale doit être privilégiée pour estimer le CHF, le manque de données disponibles pour ce type de dispositif suggère l’usage d’approches numériques.
Cette thèse vise à étudier les capacités de trois outils numériques pour l’estimation du CHF dans la capsule d’irradiation FUICA (FUel Irradiation CApsule). En l'absence de données expérimentales pour la FUICA, ces approches sont évaluées à l’aide de données issues de la capsule Pressurized Water Capsule (PWC), similaire en conception et en fonctionnement à la FUICA.
Dans un premier temps, le code système CATHARE (référence pour les analyses de sûreté) est évalué. Bien que l’écoulement en convection naturelle soit correctement reproduit, le CHF est mal estimé en raison d’une corrélation empirique inadaptée à cette configuration spécifique. L’absence de données expérimentales et de corrélations pour ce type d’écoulement dans la littérature empêche la modification directe de cette corrélation.
Une approche mécaniste est ainsi adoptée avec le code NEPTUNE_CFD. Celui-ci est d’abord validé quant à la reproduction de la convection naturelle monophasique avant d’être évalué pour la prédiction du CHF sur la capsule PWC. Bien que des difficultés apparaissent initialement dans la prédiction de la crise d’ébullition, l’utilisation de modèles avancés d’ébullition et de transfert de chaleur interfacial améliore les performances et permet une estimation raisonnable du CHF pour plusieurs géométries à haute pression. NEPTUNE_CFD présente cependant des difficultés lorsque les puissances sont trop élevées. Toutefois, ces simulations requièrent des ressources de calcul importantes, limitant fortement l’utilisation de NEPTUNE_CFD pour ce type de configuration.
Face aux limites des outils existants, un code 1.5D (CLARISSE) est développé spécifiquement pour la prédiction du CHF pour les capsules d’irradiation, étant un compromis entre la précision des modèles CFD-RANS et la simplicité des codes système. Un modèle à quatre équations est résolu explicitement en faisant l’hypothèse d’un mélange homogène entre les phases - équilibre thermique et mécanique. Les propriétés du mélange sont basées sur les équations d’état NASG, et le changement de phase est modélisé à l’aide d’un modèle de relaxation. Les termes de fermeture inconnus – comme les frottements visqueux ou les échanges thermiques pariétaux – sont déterminés par un processus de remonté d’échelle à partir de résultats CFD. Les parois sont modélisées et couplées à la résolution fluide. La prédiction du CHF sur les essais PWC donne des résultats prometteurs, comparables à ceux de NEPTUNE_CFD avec un temps de calcul nettement plus faible. Des améliorations restent toutefois nécessaires sur plusieurs aspects de CLARISSE afin d’améliorer sa représentativité et la prédiction du CHF.
Ces trois approches sont finalement utilisées pour estimer le CHF dans la capsule FUICA. Cette approche multi-échelle montre des résultats prometteurs, ouvrant la voie au développement d’outils rapides et fiables dédiés à des applications spécifiques.

Mots clés : Capsule d'Irradiation, Flux Critique Thermique, Convection Naturelle, Computational Fluid Dynamics, Ébullition nucléée

Jury :
Benjamin DURET            Université de Rouen Normandie                                         Rapporteur
Sébastien TANGUY         Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse                  Rapporteur
Catherine COLIN             Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse                  Présidente
Nathalie SEILER              CEA Cadarache & Université Grenoble Alpes                    Examinatrice
Stéphane MIMOUNI         EDF R&D & Université Gustave Eiffel                                Examinateur
Pierre BOIVIN                  M2P2, Aix-Marseille Université                                           Directeur de thèse
Fabrice FRANCOIS         CEA Cadarache & Université Grenoble Alpes                    Invité
Jorge PEREZ-MANES     CEA Cadarache                                                                  Invité