Date : jeudi 8 décembre à 10h00 ; Centrale Marseille, La Jetée, salle 014

Résumé : L'électrification croissante du parc automobile fait apparaître de nouveaux verrous technologiques. Parmi eux, le refroidissement des moteurs électriques est étudié activement. Cet intérêt est induit par une forte demande de compacité et de puissance des moteurs électriques en vue de leur intégration dans un groupe moto-propulseur d’un véhicule. Les méthodes classiques de CFD basées sur la résolution des équations de Navier-Stokes, de par la complexité des écoulements étudiés (écoulements de Taylor-Couette turbulents avec une vitesse de rotation élevée), montrent leur limitation d'un point de vue du temps de calcul. Dans ce contexte, l'objectif de la thèse est d'étudier et de développer la méthode Lattice Boltzmann (LBM) dans le cas de l'aérodynamique interne des moteurs électriques, et plus particulièrement des échanges thermiques des zones fluides. Dans un premier temps, le contexte du sujet de thèse sera détaillé, avec notamment une description du refroidissement des moteurs électriques. Sera aussi présentée une étude bibliographique des écoulements de Taylor-Couette. Ensuite, une description de la LBM sera donnée. Les conditions limites, sujet non trivial pour cette méthode basée sur des variables mésoscopiques, sont abordées par la suite. Un état de l'art sur ce sujet permet de sélectionner les méthodes existantes les plus adaptées à la configuration étudiée. Les résultats des calculs lancés sur configurations académiques pour sonder la capacité de la LBM à simuler ces écoulements sont alors discutés et analysés. Pour finir, la dernière partie est consacrée à l'étude d'un cas industriel grâce à la méthodologie mise en place au préalable. 

Date : jeudi 1er décembre à 14h00 ; amphi.3, Centrale Marseille

Résumé : Le développement de la dynamique des fluides par des méthodes numériques a connu, durant les dernières décennies, un essor incontestable. Cela s'explique en grande partie par l'augmentation considérable des moyens de calcul, aidant les ingénieurs désireux de construire et d'étudier des nouveaux systèmes physiques. Les systèmes construits se doivent d'être les plus performants possibles afin de limiter les coûts mais également l'empreinte environnementale. L'optimisation des rendements est donc au centre des préoccupations de nombreux industriels. Expérimentalement, la réalisation de modèles à taille réelle est souvent coûteuse, ce qui rend ce type d'étude peu rentable. C'est la raison pour laquelle les outils numériques sont de plus en plus exploités pour les phases de recherche et développement au sein de la plupart des entreprises. Les travaux présentés dans ce manuscrit s'inscrivent dans cette démarche de modélisation des systèmes physiques et décrivent une méthode numérique innovante pour la résolution des équations de conservation relatives à la mécanique des fluides dans le cas des écoulements compressibles. Dans un premier temps, les fondements théoriques de la mécanique des fluides et de la thermodynamique sont exposés. Les avantages d'une résolution numérique sont illustrés avec une mise en avant de la théorie cinétique des gaz. A partir de cette introduction, la méthode de Boltzmann sur réseaux est introduite en tant qu'outil de modélisation limité aux écoulements incompressibles. Pour répondre à cette problématique, une dérivation rigoureuse du modèle compressible est présentée. Ce dernier se base sur un réseau incluant uniquement les plus proches voisins avec un couplage à une équation d'énergie résolue par une combinaison des méthodes volumes finis et différences finies. La démonstration s'appuie sur un développement de Taylor de l'équation de Boltzmann discrétisée. Un ensemble de caractéristiques, permettant de satisfaire les équations de Navier Stokes tout en stabilisant le modèle et en éliminant les modes non-hydrodynamiques, est présenté. Ce modèle est ensuite testé sur plusieurs applications présentant une complexité croissante. Pour cela, des ingrédients numériques, nécessaires à toute simulation compressible complexe, sont ajoutés au fur et à mesure. La mise en place de conditions aux limites, d'une méthode capture des chocs, de raffinements de maillages et d'un modèle de turbulence ont ainsi permis la simulation d'une aile Onera M6 entourée par un écoulement compressible et turbulent. Les propriétés de conservativité dans le cas de chocs forts sont ensuite étudiées et le modèle initial est modifié. Basée sur les caractéristiques du système d'Euler et sur un couplage fort avec les flux numériques de masse et de quantité de mouvement issus de la méthode de Boltzmann sur réseaux, un schéma conservatif pour l'équation d'énergie est dérivé. Il est évalué via un ensemble de tests complexes où ses propriétés conservatives sont largement mises en avant. Ce travail se termine par une étude du traitement des conditions aux limites liées à la méthode compressible. Les défauts de la méthode d'interpolation des variables macroscopiques sur les noeuds proches des parois initialement proposée sont mis en avant et certaines pistes d'amélioration sont proposées. Elles se basent notamment sur les fonctions de distribution propres à la méthode de Boltzmann sur réseaux et sur une résolution par volume finis sur les cellules les plus proches de la paroi. Cette approche a pour objectifs principaux de préserver la masse globale du fluide et de résoudre plus clairement les équations de conservation sur ces cellules particulières en se servant de points fictifs à l'intérieur du domaine solide.

Date : mardi 29 novembre à 15h00 ; Grand Amphithéâtre du CEREGE / Arbois

Résumé : Le fractionnement par CO2 supercritique est un procédé visant la séparation de différents composés présents au sein d'une alimentation liquide. Le développement de cette technologie apporte des réponses aux problématiques environnementales et techniques actuelles, correspondant de fait aux grands enjeux de l'avenir. En effet, l'utilisation du CO2 supercritique permet de s'affranchir, dans les chaînes de production industrielle, de l'utilisation de solvants potentiellement nocifs pour les opérateurs, les consommateurs et pour l'environnement. Le fractionnement par CO2 supercritique peut, en outre, être conduit en continu et à faible température sur des unités compactes, et présente une sélectivité variable selon les conditions opératoires appliquées. Malgré ce potentiel intéressant pour bon nombre de secteurs industriels, à l'instar de l'agro-alimentaire ou de la pharmaceutique, ce procédé est encore peu déployé dans les lignes de production. En effet, la pression, la température et les débits d'alimentation et de solvant sont autant de paramètres à prendre en compte et à optimiser pour une application donnée. De plus, ces paramètres couvrent un domaine opératoire vaste pour lequel les propriétés physico-chimiques des espèces en présence, et donc leur influence, ne sont pas toujours connues. Partant de ce constat, l'objectif de ce travail est d'améliorer notre compréhension du procédé de fractionnement supercritique pour en faciliter son déploiement dans l'industrie. Ainsi, une étude fondamentale sur la séparation d'un mélange modèle, composé du binaire éthanol-eau, a été réalisée en faisant varier les paramètres précédemment cités, soit la pression, la température et le rapport des débits d'alimentation et de solvant. Des modélisations, suivant des hypothèses à l'équilibre et hors équilibre des phases en présence, ont également été appliquées à ces résultats expérimentaux montrant certaines limitations de ces outils notamment pour des débits de solvant élevés. Ces résultats de modélisation indiquent donc un éventuel entrainement de liquide vers la tête de colonne, qui ne perturbe pas forcément l'établissement d'un régime permanent, mais qui pourrait générer l'écart observé entre les résultats expérimentaux et de modélisation. En effet, cet entrainement de liquide vers la phase supercritique via un transfert d'énergie cinétique n'est pas pris en compte dans aucun des modèles et pourrait effectivement apparaître à des débits élevés. Par-delà ces expériences de fractionnement par CO2 supercritique, une étude approfondie des propriétés aux interfaces a également été menée. Ainsi, des mesures de tension interfaciale et d'angle de contact sur de l'acier inoxydable de ces mélanges éthanol-eau en atmosphère CO2 sous pression ont été réalisées. La tension critique de surface de l'acier inoxydable et le travail d'adhésion de ces mélanges sur ce matériau ont pu être estimés respectivement via la méthode du tracé de Zisman et grâce à l'équation de Young-Dupré. Le couplage des essais de fractionnement supercritique et des mesures des propriétés aux interfaces a permis d'initier un lien entre ces dernières et les phénomènes d'engorgement, inhérents à tout procédé conduit avec des écoulements à contre-courant. Les résultats mis en avant dans ce manuscrit permettent d'envisager, d'une part, un lien entre le travail d'adhésion, la géométrie du garnissage et les engorgements du type accumulation de liquide dans la colonne et ce à l'aide d'un nombre sans dimension ; et d'autre part, d'émettre l'hypothèse d'un lien entre la tension interfaciale, voire la viscosité du liquide, et les engorgements de type entrainement de liquide vers la tête de colonne. Le second volet de cette thèse comprend une étude appliquée à la valorisation de différents résidus de traitement d'huiles végétales. L'étendue de ces résultats ne pouvant être si vite résumée qu'il ne reste plus qu'à lire ce manuscrit. 

Date : friday 25 novembre à 14h00 ; salle 220, Centrale Marseille

Abstract : The studies related to nuclear safety are of great importance as well as immense complexity. From theoretical models to experiments, researchers try to understand the behaviour of the reactor core in case of a severe accident to prevent major complications. Thanks to the versatility of numerical methods and to the increase of computational power in the last decades, it is now possible to address some of the most complex issues of severe accidents numerically. One of the recent proposals is the Lattice Boltzmann Method (LBM) whose fundamental principles are based on the kinetic nature of fluids in the mesoscopic scale, leading to a new and generally faster approach for solving fluid flows. In this work, we propose a coupled lattice Boltzmann method (LBM) and finite volume method (FVM) for the simulation of the evolution of molten materials in the degraded core in a nuclear Pressurized Water Reactor (PWR) after an accidental loss of cooling and possible collapse of the internal structures. There are two main models: a Free Surface LBM that handles the hydrodynamics of the two-phase flow (gas and liquid corium) by neglecting the influence of the gas (due to the high density ratio and high viscosity ratio) and a FVM that is in charge of the heat transfers in the system. The LBM is written in the PELICANS framework, whereas the FVM is part of the CALIF3S software, both developed at IRSN. Phase change processes (solidification or melting) are addressed by implementing a correlation between the temperature and the viscosity. The proposed model is validated, first with an isothermal single-phase implementation, then with the Free Surface model for isothermal two-phase flow. Afterwards, the thermal coupling is performed and validated with some single-phase non-isothermal configurations and finally the complete coupled model is presented. Validations are presented and several calculations are performed trying to get as close to real geometry and conditions as possible, such as a configuration with several fuel rods or with a debris bed. The scope of this work aims at building a solid numerical tool for the investigation of the progression of the molten corium during a severe accident. In its present state of development, the model is able to deal with the flow of a droplet or a liquid film over surfaces or obstacles, with heat transfer and solidification or melting. It is implemented in 2D but most of the functionalities may be used in 3D after minor modifications. This will allow to predict the possible configurations of the core materials that may exist at different stages of an accident and to estimate if a fast and effective cooling of those configurations could be obtained (or not) by injection of water. 

Date : Monday 7 Novembre 2022 à 14:00 ; Amphi 1 - Centrale Marseille

Abstract : Rotating geometries are crucial configurations in industry, encountered in rotors, propellers and turbofans and the most classical method to simulate them in general computational fluid dynamics (CFD) is the overset mesh (so called, Chimera mesh), which uses two different meshes simultaneously. However the numerical complexity of this scheme makes their implementation challenging in CFD, not to mention in lattice Boltzmann method (LBM). LBM has been attracting several industrial sectors over the last decades, including aeronautical transport, energy and health, and still remains a very active research topic in CFD. While chronic drawbacks of the LBM have been being overcome recently by the community, such as the instability issues at high Reynolds and high Mach numbers, one of the major remaining challenges is to simulate with a high level of reliability rotating geometries undergoing these challenging industrial conditions. In this thesis, we provide a detailed study of the application of rotating overset grids in LBM at high Reynolds and high Mach numbers flows. To do so, since there exist both fixed and rotating meshes at the same time, an efficient interpolation procedure is used to perform the instantaneous communication between fixed and rotating meshes, and appropriate fictitious forces are applied in the rotating region to account for the non-inertial reference axis. Also, flow physics are described by hybrid recursive regularized LBM model (HRR), which is chosen to stabilize flow from high Reynolds, high Mach flow and the numerical defects of overset grids. Particularly, for compressible flow, temperature is transported by the entropy equation which solved by the MUSCL-Hancock scheme. The numerical framework is thoroughly analyzed by separating all numerical ingredients and by studying the different numerical error sources originated from the algorithm. It is validated on different test cases, from academic ones to challenging industrial ones. The results point out good accuracy and robustness of the numerical method compared to conventional finite volume Navier-Stokes solvers and experiments. According to the best of the author's knowledge, this work presents the first thorough validation and error analysis of the lattice Boltzmann method for simulating moving geometries in high Mach compressible flows, including any type of movement such as oscillation, translation and rotation, etc.