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.

Date et lieu : le 11 décembre 2025 à 14h00 dans la salle de projection du FORUM de l'Arbois-Méditerranée

Résumé : L’agriculture mondiale dépend fortement des réserves non renouvelables de phosphore (P) ainsi que des engrais azotés (N) à forte intensité énergétique pour maintenir les rendements agricoles. Parallèlement, l’élevage intensif génère de grands volumes d’effluents liquides, riche en matière organique et en éléments nutritifs, qui, s’ils ne sont pas correctement gérés, peuvent entraîner des impacts environnementaux liés à leur rejet.

Pour répondre à ces enjeux, un traitement hydrothermal utilisant du lisier de porc réel a été réalisé afin d’étudier l’effet des paramètres opératoires sur la conversion et la distribution du P et du N. Les expériences comparatives ont été menées en utilisant une grande gamme de sévérité (107–200 °C, 25–95 min à 300 °C, 10–60 min). Les phases solide, aqueuse et huiles obtenues ont été systématiquement caractérisées via des analyses physico-chimiques et des extractions séquentielles du phosphore.

Les résultats montrent que plus de 90 % du P a été récupéré dans la phase solide. La minéralisation du phosphore organique, ainsi que la dissolution des formes de P associées à l’Al/Fe conduisant à la formation de phosphates de calcium, ont été identifiées comme le principal mécanisme contrôlant la rétention du P dans l’hydrochar. La température est apparue comme le paramètre le plus influent sur la conversion et la spéciation du P, avec de fortes corrélations observées entre les formes de P et la disponibilité des cations métalliques (Ca, Mg, Fe, Al). L’azote organique dissous est demeuré la fraction N dominante dans la phase aqueuse, révélant une lacune majeure dans les stratégies actuelles de valorisation hydrothermale.

Mots-clés : traitement hydrothermal, lisier de porc, spéciation du phosphore, transformation de l’azote, biobrut, recirculation des eaux de procédé, liquéfaction hydrothermale, carbonisation hydrothermale.

Jury :

Résumé : cette thèse porte sur la simulation numérique de phénomènes transitoires rapides impliquant des interactions fluide-structure, au travers de méthodes de calcul avancées. L'objectif principal est d'améliorer l'efficacité des calculs en environnement parallèle en intégrant une méthode de Boltzmann sur réseau au sein d'un solveur fluide-structure partitionné. Dans ce cadre, une méthode de frontières immergées existante est étendue aux régimes d'écoulements compressibles afin de traiter efficacement des géométries complexes et en mouvement. La dynamique de la structure est résolue par une méthode éléments finis. Une attention particulière est portée au traitement des différentes échelles en temps et en espace liées respectivement aux domaines fluide et solide, en  visant une résolution optimale de chaque sous-système. La précision et la performance de l'approche proposée sont validées au travers d'une série de cas tests de complexité croissante, montrant une concordance forte avec les résultats expérimentaux et numériques existants. Enfin, des simulations à grande échelle impliquant la fragmentation de structures sont réalisées afin de démontrer la robustesse et la capacité de passage à l'échelle pour des applications pratiques de la méthode proposée. Ces résultats offrent de nouvelles perspectives pour la simulation des interactions fluide-structure induites par des explosions, ouvrant la voie à des prédictions plus rapides et plus détaillées. 

Mots clés : Interaction Fluide-Structure, Transitoire Rapide, Méthode de Boltzmann sur Réseau, Méthode de Frontière Immergée, Éléments Finis, Couplage Partitionné, Fracture, Fragmentation

Jury :

Résumé : Les microalgues, capables de synthétiser des composés bioactifs variés, représentent une ressource prometteuse pour de nombreuses applications industrielles. Toutefois, leur production à grande échelle reste limitée par des contraintes biologiques, techniques et économiques. C’est dans ce contexte, que la société Innovalg a engagé une démarche innovante : intégrer les procédés membranaires dans la chaîne de production de trois microalgues marines : Odontella aurita, Phaeodactylum tricornutum et Dunaliella salina. Cette thèse, alliant génie des procédés et microbiologie marine, s’est concentrée sur trois étapes clés : (i) la purification de l’eau de mer par ultrafiltration pour la culture des microalgues, (ii) la récolte des microalgues par microfiltration et (iii) l’extraction de composés à haute valeur ajoutée. En conditions réelles de production et en comparaison de procédés conventionnels, quels que soient les volumes ou les microalgues ciblées, les procédés membranaires mènent à des croissances algales supérieures, des récupérations cellulaires amplifiées et une modification de la composition biochimique des microalgues. Ainsi, cette thèse souligne le potentiel des procédés membranaires pour améliorer la qualité et la rentabilité de la production de microalgues à grande échelle jusqu'à des TRL de 9.

Mots clés : procédés membranaires, production de microalgues, purification d’eau de mer, récolte, croissance et qualité algale.

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