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11 septembre 2025 - Simulations de la combustion CH4–H2 dans des brûleurs industriels en utilisant la méthode de Boltzmann sur réseau avec transfert radiatif de chaleur / Soutenance de thèse de Jose Luis Andres
Doctorant : Jose Luis ANDRES

Date et lieu : le 11 septembre à 14h00 ; amphi N°3 - Centrale Méditerranée, Plot 6, 38 rue Joliot-Curie, 13451 Marseille

Résumé : La combustion de mélanges méthane-hydrogène dans des brûleurs industriels constitue une voie prometteuse pour réduire les émissions de gaz à effet de serre. Cependant, la complexité des phénomènes physiques en jeu  rend leur simulation numérique difficile et coûteuse. Les outils industriels actuels, majoritairement fondés sur des approches RANS, restent limités pour capturer les phénomènes instationnaires et localisés. Cette thèse explore une alternative fondée sur la méthode de Boltzmann sur réseau (LBM) couplée à une approche LES, capable de fournir des résultats cohérents avec les observations expérimentales avec un coût numérique maîtrisé.

La contribution principale est le développement et la validation d’un modèle original de transfert radiatif P1-WSGG adapté aux mélanges CH4-H2. Ce modèle, résolu via un algorithme itératif de type Jacobi, est validé sur plusieurs cas tests. Il est ensuite appliqué à la simulation d’un brûleur semi-industriel fonctionnant au mélange CH4-H2, avec comparaison à des données expérimentales et à des résultats issus d’un code RANS industriel. Les résultats montrent que l’approche LBM permet de prédire avec précision les transferts radiatifs, la température et la formation des polluants, confirmant son potentiel comme alternative fiable aux outils classiques pour la modélisation de systèmes de combustion complexes.

Jury
Frédéric ANDRÉ, DR, CNRS, LOA, Université de Lille, Lille – Rapporteur
Omar DOUNIA, Chercheur HDR, Cerfacs, Toulouse – Rapporteur
Pascale DOMINGO, DR, CNRS, CORIA, Rouen – Examinatrice
Ronan VICQUELIN, Professeur, Université Paris-Saclay, Paris – Examinateur
Bruno DENET, Professeur, IRPHE, Marseille – Président du jury
Fouad SAID, Ingénieur, Fives Pillard, Marseille – Invité
Pierre BOIVIN, CR HDR, CNRS, M2P2, Marseille – Directeur de thèse
Jean-Louis CONSALVI, MCF HDR, IUSTI, Marseille – Co-directeur de thèse
18 juillet 2025 - La modélisation et la simulation, des outils essentiels pour une meilleure compréhension des procédés en CO2 supercritique et une mise à l’échelle industrielle plus efficace / Soutenance HDR Adil Mouahid
Date et lieu : le 18 juillet à 10h ; amphi du Cerege (Europôle de l'Arbois).

Résumé : Dans un contexte réglementaire écologique évolutif incitant à la mise en place de procédés propres et innovants, les procédés mettant en jeu le CO2 supercritique (CO2-SC) font l’objet d’un intérêt grandissant. En effet, les avantages sont nombreux : le CO2 est un sous-produit de l’industrie, non inflammable, il est recyclé au cours du procédé, dans sa phase supercritique, c’est un solvant apolaire à géométrie variable (sélectif selon les conditions de pression et température) et reconnu comme atoxique. Le CO2 étant gazeux à pression ambiante, une séparation naturelle s’opère sans avoir recours à des opérations de séparation additionnelles. Enfin, la technologie supercritique est compacte lui donnant un avantage en termes de coûts de production.

Dans le but d’envisager une transition efficace et rentable vers cette technologie, les procédés utilisant le CO2-SC doivent être maîtrisés. Aboutir à cette maitrise nécessite de passer par une étape l’approfondissement des connaissances théoriques via la modélisation qui elle-même nécessite de passer par des étapes d’expérimentations. En effet, les données expérimentales permettent d’alimenter les modèles qui eux-mêmes donnent accès à des paramètres physiques tels que les solubilités, les coefficients de transfert, etc. utiles à des calculs de scale-up précis.

Dans la littérature, les données expérimentales sont nombreuses. Cependant, les données de modélisation sont moindres et le choix des modèles n’est pas toujours le même d’une étude à une autre rendant leur exploitation difficile. Ce travail présente donc mes travaux de recherche mêlant expérimentation et modélisation réalisés dans l’objectif d’approfondir les connaissances théoriques des procédés utilisant le CO2-SC mais également de faciliter les études de scale-up afin d’envisager une transition technologique efficace. Mes travaux de recherche ont été réalisés dans l’équipe Procédés et Fluides Supercritiques (FSC) animée par Elisabeth BADENS du laboratoire M2P2 (UMR7340, Aix-Marseille Université) à travers des collaborations académiques et industrielles qui ont nécessité le développement de nouveaux bancs expérimentaux et d’approfondir les aspects de modélisation et simulation soit en utilisant des considérations théoriques (jeux d’équations basés sur des théories de transfert de matière ou autre) soit en utilisant les plans d’expériences.

Membres du Jury
Severine CAMY Pr, LGC, Université de Toulouse
Maryline VIAN Pr, GREEN, Université d’Avignon
Caroline WEST Pr, ICOA, Université d’Orléans
Christophe JOUSSOT-DUBIEN, Directeur (HDR) CEA ISEC Marcoule
Elisabeth BADENS Pr, M2P2
3 juillet 2025 - Allumage de carburant à base d'hydrogène: application à la sécurité / Soutenance de thèse de Marc Le Boursicaud
Doctorant : Marc LE BOURSICAUD

Date et lieu : le 3 juillet à 14h00 ; amphi N°3 - Centrale Méditerranée, Plot 6, 38 rue Joliot-Curie, 13451 Marseille

Résumé : La sécurité hydrogène a toujours été une préoccupation majeure des secteurs aérospatial et nucléaire. L'intérêt croissant qu'il suscite en tant que carburant alternatif pour le transport soulève de nouveaux défis de sûreté. Les solutions de stockage pour ces applications impliquent des réservoirs d'hydrogène gazeux allant jusqu'à 700 bars. Ces conditions diffèrent considérablement de celles traditionnellement étudiées, nécessitant le développement de nouveaux outils prédictifs pour évaluer les risques d'allumage.

Cette thèse a débuté par le développement d'un modèle de scalaire passif conçu pour prédire l'allumage d'hydrogène avec des codes de dynamique des fluides numériques. Ce modèle réduit significativement la difficulté d'intégration numérique en réduisant, par conséquent, les coûts de calcul, comparé à l'utilisation d'un mécanisme cinétique détaillé ou réduit. En parallèle, il capture avec précision les phénomènes physiques responsables de l'allumage, avec une attention particulière portée aux hautes pressions.

Le cœur de la thèse se concentre sur l'allumage dans le cas de fuites d'hydrogène à haute pression. Ces scénarios présentent de nombreux défis, notamment la forte séparation des échelles entre la couche de diffusion hydrogène/air et l'écoulement, rendant les simulations numériques directes (DNS) peu pertinentes. Pour relever ces défis, un nouveau solveur pseudo-1D a été développé, combinant des représentations 1D et 3D à l'aide de coordonnées planes et sphériques dans une formulation unifiée. Ce solveur a reproduit avec succès l'écoulement pour diverses géométries et pressions, et a été validé pour d'autres gaz sous pression. De plus, le modèle de scalaire passif a été utilisé pour prédire l'allumage au sein de la couche de diffusion. La méthodologie ainsi obtenue est particulièrement efficace pour évaluer le risque d'allumage des fuites d'hydrogène à haute pression et a permis d'étudier l'influence de la géométrie.

Cette approche a été étendue pour prendre en compte un obstacle placé en face de la fuite (comme dans un compartiment moteur). La présence d'un obstacle mène à la réflexion de l'onde de choc et à son interaction avec la couche de diffusion. La méthodologie a été améliorée pour intégrer ces phénomènes, permettant d'évaluer l'influence de cet obstacle. Les résultats ont révélé que le confinement a un effet significatif pour certaines géométries et qu'il ne devrait pas être négligé dans les analyses de sûreté.

Enfin, dans une optique d'élargissement des travaux de thèse, l'allumage de mélanges hydrogène-ammoniac a été étudié puisqu'ils suscitent un intérêt croissant en tant qu'alternatives à l'hydrogène pur. Des expressions analytiques ont été dérivées pour des cas canoniques, et une version adaptée du modèle de scalaire passif a été développée pour modéliser efficacement l'allumage de ces mélanges.

Jury
Nabiha Chaumeix / Directrice de recherche CNRS, ICARE / Rapporteure
Antonio Sánchez / Professeur, University of California San Diego / Rapporteur
Heinz Pitsch / Professeur, RWTH Aachen University / Examinateur
Josué Melguizo-Gavilanes / Chercheur, Shell ETCA / Examinateur
Arnaud Mura / Directeur de recherche CNRS, Pprime / Examinateur
Bruno Denet / Professeur, Aix-Marseille Université / Président du jury
Pierre Boivin / Chargé de recherche CNRS, M2P2 / Directeur de thèse
Jean-Louis Consalvi / Maître de conférences, Aix-Marseille Université / Co-directeur de thèse
11 juin 2025 - Energétique, aérodynamique et intensification des jets d’arcs de coupage plasma / Soutenance de thèse de Frederic CAMY-PEYRET
Doctorant : Frederic CAMY-PEYRET 

Date et lieu : le 11 juin à 14h00 ; amphi N°3 - Centrale Méditerranée

Résumé : Le procédé de découpe plasma des matériaux conducteurs d’électricité, en particulier des métaux, est l’un des trois grands procédés de découpe thermique des tôles, avec le laser et l’oxycoupage. Ce procédé s’est progressivement répandu dans l’industrie depuis les années 70, et est aujourd’hui incontournable dans les activités de construction et de fabrication métallique. Les améliorations de cette technologie ont historiquement été apportées par les équipementiers industriels en utilisant une approche très empirique et technologique, probablement en raison de la faible intensité en R&D fondamentale du secteur, et surtout de la complexité multi-physique de la phénoménologie des jets plasmas utilisés en découpe des métaux. Ceux-ci peuvent en effet être décrits par un écoulement trans-sonique sous-détendu dans une tuyère sonique de taille millimétrique, au col de laquelle une colonne plasma fortement ionisée est chauffée au-delà de 20000 K par le passage d’un courant électrique.
La complexité de l’objet d’étude réside dans les nombreux effets physiques, souvent eux-mêmes difficiles à appréhender isolément, qui peuvent a priori contribuer à déterminer la structure du jet plasma : propriétés thermodynamiques et coefficients de transport du plasma, géométrie de la tuyère et son aérodynamique, pression, intensité du vortex, turbulence, transferts radiatifs à haute température, couplage électrostatique et électromagnétique entre le passage du courant et le plasma, phénomènes aux électrodes, …
Depuis les années 2000, et en collaboration avec le monde académique, certains acteurs industriels, ont engagé des approches plus fondamentales et scientifiques permettant de mieux comprendre et décrire ces objets technologiques, démarche à laquelle l’auteur a contribué depuis 25 ans.
Après un résumé de la carrière et des travaux de recherche menés ou supervisés par l’auteur dans les domaines connexes de la mécanique des fluides, de la combustion, des matériaux, et des procédés, la problématique abordée dans ce manuscrit de thèse portera donc sur l’étude de l’énergétique et de la phénoménologie des jets de plasmas d’arc transféré utilisés pour la découpe. Ce choix est d’abord celui du fil rouge scientifique et technologique le plus dense de mon expérience de chercheur industriel, et aussi un sujet dont la nature multi-physique a beaucoup bénéficié de l’expérience acquise dans d’autres spécialités.
Nous introduirons les technologies et les procédés, nous couvrirons les méthodes expérimentales et de simulation numérique utilisées, nous étudierons les échelles énergétiques à l’œuvre en découpe plasma en comparaison au procédé laser concurrent, et détaillerons les mécanismes d’apport et de distribution de l’énergie à la tôle. Nous présenterons les avancées dans la compréhension de la constriction de la colonne plasma à travers la description du fonctionnement de la tuyère jusqu’à son col sonique, avant de poursuivre vers l’aval en analysant la structure du jet plasma sous-détendu entre la tuyère et la tôle. Enfin, nous conclurons par l’étude de l’influence de la cohérence spatiale de la densité de puissance du plasma sur la précision de coupe et les mécanismes d’amélioration de celle-ci.

Mots clés : procédé de coupage plasma, plasma d’arc électrique, efficacité énergétique, découpe des aciers, jet plasma supersonique sous-détendu, adaptation aérodynamique, thermodynamique des plasmas thermiques, transferts thermiques à haut flux, intensification de la densité de puissance.

Jury
Stéphane PELLERIN  / Professeur, Université d'Orléans / Rapporteur
Luc VERVISCH  / Professeur, INSA de Rouen / Rapporteur
Françoise BATAILLE  / Professeur, Université de Perpignan Via Domitia / Examinatrice
Philippe ROBIN-JOUAN  / Fellow Expert, GE Vernova / Examinateur
Sergey GAVRILYUK  / Professeur, Aix-Marseille Université / Président du jury
Eric SERRE  / DR CNRS, M2P2 / Examinateur
Pierre BOIVIN  / CR CNRS, M2P2 / Directeur de thèse
Pierre FRETON  / Professeur, Université de Toulouse / Co-directeur de thèse
Bernard LABEGORRE  / Senior Expert, Air Liquide / Membre invité
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
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