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Soutenances de thèse et HDR

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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
11 décembre 2024 - Advanced numerical modelling of transport in tokamak plasma and confrontation to experiments / Ivan Kudashev PhD Defense
Doctorant : Ivan Kudashev

Date : jeudi 12/12 à 14h00, amphi N°3 ; Centrale Méditerranée ; 38 rue Joliot-Curie, 13013 Marseille

Abstract : To control heat deposition on the Plasma-Facing Components (PFCs) of current tokamaks and future reactors, a major effort is underway to develop fluid codes that can model turbulent transport in the plasma edge. Understanding the underlying physical processes is one of the key challenges in magnetic fusion research, especially with the upcoming launch of the International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER). Despite significant advances in plasma fluid simulations, several challenges in the modelling remain. These include limitations related to fixed magnetic equilibrium, simplified boundary conditions to model plasma wall interactions, time-consuming neutral transport simulations, crude perpendicular turbulent transport models, and limited coupling between the plasma core and the Scrape-Off Layer (SOL). These limitations hinder full-discharge simulations, restricting analysis to a few snapshots of relatively stable plasma phases, which still carry significant uncertainties. This thesis contributes to the ongoing development of the SolEdge-Hybridized Discontinuous Galerkin (HDG) code, a magnetic equilibrium-free fluid plasma solver. The research focuses on improving the physical completeness of the code and enhancing its ability for experimental validation. A detailed overview of the SolEdge-HDG code is provided, highlighting the initial models and assumptions. The implementation of the HDG method is discussed, which allows the use of high-order meshes that are not aligned with the magnetic field, enabling precise descriptions of tokamak wall geometries. Key developments in the SolEdge-HDG suite include the creation of synthetic diagnostics (bolometer and visible range cameras), improving the code's ability to compare simulations with experimental data. These comparisons revealed shortcomings in the initial physical models, which have been addressed in this thesis. Improvements include a more consistent neutral fluid model, which is crucial for understanding tokamak fueling, as well as the introduction of new heat sources and a self-consistent heuristic perpendicular turbulent transport fluid model. The enhanced SolEdge-HDG code successfully captures key plasma regimes, such as sheath-limited, high-recycling, and detached states. A detailed study is conducted on the plasma’s response to variations in gas puffing, demonstrating its impact on tungsten sputtering. The extension of the bolometer system in WEST for more accurate measurements is also explored, as well as potential applications of visible camera diagnostics. The thesis demonstrates the first application of the self-consistent turbulent model to simulate a full cross-section during the ramp-up phase of a WEST discharge. The simulation results show qualitative agreement with experimental data. The interaction between evolving plasma equilibrium and the turbulent model is also discussed, with emphasis on its effect on divertor heat load predictions. Applications of the fully upgraded SolEdge-HDG model are further explored for steady-state plasmas with additional heating. Special attention is given to the turbulent model’s response to different heating methods and the process of ion-electron energy equilibration. Finally, the thesis illustrates the application of SolEdge-HDG and synthetic diagnostics to improve tokamak design. It examines the impact of reflections on bolometer signals and evaluates various approaches for tomographic inversions of plasma radiation. An application to the final design of the ITER bolometer system is also presented. This work demonstrates the expanded capabilities given by magnetic-equilibrium-free solver for tokamak design and operation. The integration of synthetic diagnostics not only allows to confront simulations to the experiments, but also sheds light to the model’s weaknesses. While some limitations remain, the code suite is already capable to solve key operational design challenges. 

Jury:
Directeur de these          M. Eric SERRE CNRS, M2P2
Co-encadrant de these  Mme Anna GLASSER CNRS, M2P2
Président                  Mme Pascale HENNEQUIN CNRS, LPP
Examinateur                  M. Alberto LOARTE ITER
Rapporteur                  Mme Eleonora VIEZZER University of Sevilla
Rapporteur                  M. Jeremy LORE ORNL
11 décembre 2024 - Mechanisms of interactions between organic and mineral matter (phosphates) during hydrothermal liquefaction of residual biomass: application to digestate from anaerobic digestion / Antonello Tangredi PhD Defense
Doctorant : Antonello TANGREDI

Date : Wednesday December 11, 2024 at 9.30am in the Cerege Amphitheatre at the Technopôle de l'Arbois-Méditerranée

Abstract : Phosphorus (P) is an essential nutrient for global food production, but intensive agriculture disrupts its natural cycle, increasing reliance on non-renewable sources. A sustainable alternative is recovering P from renewable organic waste streams such as sewage sludge and digestate. This PhD thesis investigates the hydrothermal treatment of sewage sludge to explore P conversion and speciation, aiming to valorize the mineral phase as fertilizer and the organic phase as bio-oil. Two types of sludge, differing in solids content and composition, were sampled from a wastewater treatment plant in southern France. The sludge was treated in a batch reactor at temperatures varying from 250 to 350 °C for 5 to 45 min. Products were centrifuged into a solid pellet and process water, followed by characterization of their physicochemical properties. Results show that temperature and treatment duration significantly impact by-product characteristics, including their P content and speciation. Higher temperatures and longer times improve bio-oil yield. Treatments at 250-300 °C promote organic P mineralization and increase soluble phosphate concentration in the process water, while treatments at 350 °C lead to greater P recovery yield in the solid pellet (> 90%). Higher calcium and iron contents of sludge improve orthophosphate precipitation, and calcium oxide addition enhances P recovery in the solid pellet as calcium phosphate. This research provides a framework for sustainable P recovery, suggesting hydrothermally treated pellets as potential slow[1]release fertilizers. Future work should include detailed bio-oil characterization to better assess the energy recovery potential.

Keywords : residual biomass, phosphorus recovery, hydrothermal liquefaction, sewage sludge, circular economy.

Jury:
Benedetta DE CAPRARIIS,       Reviewer, Associate professor, La Sapienza University of Rome
Véronique DELUCHAT,             Reviewer, Professor, Limoges University
Anthony DUFOUR,                   Examiner, Senior scientist, CNRS LRGP
Jean-Henry FERRASSE,           Examiner, Professor, Aix-Marseille University
Mathieu GAUTIER,                   Examiner, Professor, INSA Lyon
Elsa WEISS-HORTALA,            Examiner, Assistant professor, IMT Mines Albi
Olivier BOUTIN,                       Thesis supervisor, Professor, Aix-Marseille University
Cristian BARCA,                       Thesis co-supervisor, Associate professor, Aix-Marseille University
10 décembre 2024 - Numerical Investigation of the Hemodynamics of Aortic Valves and Their Surgical Treatments with a Focus on Fluid Structure Interaction Mechanisms / Tom Fringand PhD Defense
Doctorant : Tom FRINGAND

Date : 10 December 2024 at 1:30 pm in amphi N°3 - Centrale Méditerranée, 38 Rue Frédéric Joliot Curie, Marseille

Abstract: Cardiac pathologies are the leading cause of mortality worldwide. The heart is composed of four distinct chambers separated by valves that ensure unidirectional blood flow from one chamber to another. There are many categories of heart diseases that can affect various parts of the organ, but among them, aortic valve dysfunction has a significant weight. Aortic valve dysfunction is diagnosed as difficulties in opening and/or closing, which exhausts the patient’s heart and leads to poor hemodynamics. As a result, the aortic valve is the most commonly replaced part of the heart with prostheses that aim to replicate the characteristics of a healthy valve as closely as possible. These prostheses, mainly derived from porcine or bovine sources, have improved patients’ quality of life, however none of them are capable of fully restoring life expectancy to a level comparable to that of the general population. In this context, new valve replacement solutions are being explored. The Ozaki procedure appears to be a promising candidate, but its development remains limited for now. This technique avoids the use of external implants by using the patient’s own pericardial tissue to construct a new valve. This procedure is still relatively recent and offers many advantages, from the use of tissue already recognized by the body, to the design of the procedure itself. Nevertheless, several questions remain open about the Ozaki valve capacity to provide high-quality blood flow that lasts over time. This concern is understandable, given that the new aortic valve obtained after an Ozaki procedure has a significantly different shape compared to a healthy native valve or any of the prostheses available on the market. The objective of this thesis is to compare and quantify, from a biomechanical perspective, the differences in behavior and flow produced between an Ozaki-type valve and a healthy native valve. This comparison provides insights into the fundamental properties of this solution relatively to a healthy case in terms of durability and performance. To meet the expectations of surgeons, a bioprosthesis will also be included in the comparison to identify the advantages and disadvantages of the Ozaki valve compared to what is currently considered the reference in terms of replacement solutions. To carry out these three comparisons, a fully numerical and state-of-the-art approach has been developed, based on the Lattice BoltzmannMethod for blood flow simulation, with a finite element method to calculate the deformations experienced by the valve. These two methods are coupled using an immersed boundary formulation and an explicit time-stepping method with stabilization. The simulations were performed with a patient-specific objective, using an innovative process on geometries derived from clinical CT-scans with the use of Landmarks and Non-Uniformal Rational B-Splines (NURBS) interpolation. In terms of geometry, the Ozaki procedure nearly doubles (1.92 times) the coaptation surface of the leaflets compared to the native healthy aortic valve and increases the coaptation height by a factor of 3.7, impacting the behavior. The results of the fluid-structure interaction simulations reveal similar dynamics between the valves, but with the emergence of flutter in the Ozaki valve and higher flow velocities and wall shear stresses for the bioprosthesis. This thesis globally observes a biomechanical superiority of the Ozaki procedure compared to the bioprosthesis, suggesting the relevance of this new solution and its future development.

Key words: Numerical simulation, Fluid–structure interaction, Aortic valve, Ozaki procedure, Bioprosthesis, Hemodynamics.

Jury:
Lyes KADEM  -          Pr. Université de Concordia  -           Reviewer
Dominik OBRIST  -    Pr. Université de Berne  -                  Reviewer
Olivier BOUCHOT  -  PU-PH Université de Dijon  -             Examiner 
Morgane EVIN  -       Chargée de recherche au LBA, Université Gustave Eiffel  -   Examiner
Franck NICOUD  -     Pr. Université de Montpellier  -           President of the jury
Julien FAVIER -          Pr. Aix Marseille Université  -               Thesis director 
Loïc MACE  -             PU-PH. Aix Marseille Université  -        Thesis co-director
27 octobre 2024 - Production of drinking water by low-pressure reverse osmosis / Hugo Taligrot PhD Defense
Doctorant : Hugo Taligrot

Date :  Wednesday November 27, 2024 at 9am in the Cerege Amphitheatre at the Technopôle de l'Arbois-Méditerranée

Abstract: Freshwater is essential for life, ecosystems and industry, but the intensification of human, agricultural and industrial activities is leading to high demand coupled with a decline in the quality of natural water. In the context of producing drinking water from natural freshwater, some pollutants are not completely stopped by conventional processes and can threaten public health, such as viruses and microplastics. Membrane processes are renowned for their ability to reduce effluent volumes while producing a very high quality permeate. The limitations of ultrafiltration, used for freshwater purification, in the face of the emergence, omnipresence or persistence of contaminants have led to attention being focused on low-pressure reverse osmosis (LPRO), recognised for its higher retention potential. This thesis aims to demonstrate (i) the potential of LPRO to produce high-quality drinking water from fresh water, while addressing the challenges associated with the retention of viruses and then microplastics, as well as (ii) the durability of the membranes. Finally, the stability of water quality in distribution networks will be studied in order to cover the supply chain. Although the literature indicates high viral abatement for LPRO, these results do not always reflect reality, as they are based on individual model viruses at concentrations much higher than those found in natural freshwater, in order to promote their detection in the permeate. In this study, concentration methods were developed to analyse large volumes of permeate at low virus concentrations, enabling the limit of quantification to be reduced and the performance of the LPRO process to be assessed. The LPRO process was studied on two scales (laboratory and semi-industrial) with regard to the retention of two pathogenic enteric viruses and a model virus, respectively an adenovirus (AdV 41), an enterovirus (CV-B5) and the bacteriophage MS2, at concentrations representative of those found in the environment. The concentration methods proved effective in treating the permeates from each LPRO pilot scale. The LPRO process achieves significant virus removal (6 log on average) at different scales, although total retention is not achieved. In-depth analysis of used LPRO spiral wound modules has suggested that viral retention defects may originate from the module’s O-rings and possibly its glue lines, but not from the membrane if it is intact. In fact, various defects were observed during the autopsy of the LPRO modules (folded or abraded membrane, presence of patches), which had a significant impact on performance. Analysis of the ageing of the spiral-wound modules revealed a reduction in membrane performance in terms of permeability and retention rate for monovalent (NaCl) and divalent (CaSO4) salts. However, the retention rate for microplastics (tested on polymethyl methacrylate beads) remained total, with reductions of over 7 log. Finally, water produced by LPRO and injected into a simulated distribution network showed reduced bacterial growth potential, with a lower concentration of active cells measured by flow cytometry and lower total organic carbon, compared with water produced by a conventional process or by ultrafiltration.

Keywords: low-pressure reverse osmosis, drinking water production, enteric viruses, microplastics, membrane ageing, biological stability

Jury:
Clémence COETSIER,    Reviewer,   AP, Paul Sabatier University
Jean Philippe CROUE,    Reviewer,   PR, University of Poitiers
Isabelle BERTRAND,      Examiner,  AP, University of Lorraine
Jean-Luc BOUDENNE,   President of the jury,   PR, Aix-Marseille University
Philippe MOULIN,           Thesis Supervisor, PR,   Aix-Marseille University
Mathias MONNOT,         Thesis Supervisor, AP,   Aix-Marseille University

Laurent MOULIN,            Guest Member, Head of R&D, Eau de Paris
Sébastien WURTZER,    Guest Member, Molecular and Emerging Pathogens Manager, Eau de Paris
25 novembre 2024 - Design and optimization of supercritical treatment processes for interventional cardiology medical devices / Zohra Laggoune PhD Defense
Doctorante : Zohra Laggoune

Date : 25 novembre à 14h00, Cerege amphi Technopôle de l'Arbois-Méditerranée

Abstract: Atherosclerosis, a leading cardiovascular condition, involves arterial narrowing due to fatty deposits, impeding blood flow. Angioplasty, using stents or balloons, is a minimally invasive treatment for atherosclerosis. Recent advances have led to the development of active stents and balloons, which release antiproliferative agents (e.g., sirolimus) via a polymeric coating to prevent restenosis and promote arterial healing. Conventionally, these devices are manufactured using organic solvents, and may then contain harmful residues posing environmental and health concerns.
This thesis, conducted in collaboration with AlchiMedics, investigates supercritical CO2 technology as an eco-friendly alternative for manufacturing active coronary medical devices. The study first focuses on the behavior of the polymers that compose them in a supercritical CO2 environment. A Fourier Transformed InfraRed microscope coupled with a high-pressure cell was used to measure CO2 sorption in the polymers and their swelling. Additionally, a high-pressure visualization cell was used to assess the physical state of the polymers when exposed to supercritical CO2. Furthermore, the solubility in supercritical CO2 of sirolimus, the main active ingredient involved in this thesis, was determined using a static gravimetric method, followed by data modeling.
Based on this fundamental knowledge, supercritical CO2 was applied to extract residual solvent from pre-dried active stents (HT Supreme®). Semi-continuous mode extraction at 8 MPa, 308.15 K for 0.5 h resulted in an extraction efficiency of 91.80 % while minimizing polymer detachment and ensuring satisfactory in-vitro sirolimus release.
This study also explores supercritical impregnation of sirolimus to develop active balloons and stents, targeting a drug loading of 1.2 µg.mm-2 for both devices. Balloon impregnation was performed in batch mode based on a Design of Experiments. Operating conditions of 18 MPa, 323.15 K for a duration of 18 h were identified to maximize the drug loading to 0.68 µg.mm-2, while achieving positive ex-vivo results. In contrast, impregnations of two types of commercial stents (AMS® and HT Supreme®) resulted in low drug loadings and detachment of polymeric coatings. The development of the Fast Impregnation process (FIP), significantly improved drug loadings from 0.035 to 1.11 µg.mm-2 for AMS®, and from 0.015 to 7.3 µg.mm-2 for HT Supreme®. This process also preserved the integrity of polymer coatings under conditions set at 12.5 MPa and 308.15 K for AMS®, and at 25 MPa and 313.15 K for HT Supreme®.

Keywords: Atherosclerosis, active coronary stent, active coronary balloon, polymers, supercritical CO2, impregnation, extraction, sterilization

Jury :
Pr. Albertina CABAÑAS - Complutense University of Madrid - Reviewer
Pr. Iolanda DE MARCO - University of Salerno -  Reviewer
Dr. Thierry TASSAING - University of Bordeaux- Examiner and president of the jury
Pr. Loïc MACÉ - Aix Marseille University - Examiner
Pr. Elisabeth BADENS -  Aix Marseille University - Thesis director 
Dr. Yasmine MASMOUDI - Aix Marseille University - Thesis co-director
Dr. Christophe BUREAU - AlchiMedics - Thesis co-director and guest member 
20 novembre 2024 - Plasma Instability Identification Through Machine Learning / Enrique Zapata Cornejo PhD Defense
Doctorant : Enrique Zapata Cornejo

Date : 20 novembre 2024 à 13h30, amphi 3, Centrale Méditerranée au 38 Rue Frédéric Joliot Curie 13451 Marseille

Abstract: 
This thesis presents the development of advanced data-driven techniques to automate the detection and classification of plasma modes in fusion experiments, focusing particularly on Alfvén instabilities and magnetohydrodynamic (MHD) modes. 
The first contribution of this work is the development of a sparse coding algorithm capable of identifying modes directly from raw plasma signals. This method called Elastic Random Mode Decomposition applies parallelized elastic net regression to random dictionaries of Gabor atoms, this algorithm isolates significant oscillatory components, even with  noisy signals.
In addition, unsupervised learning techniques are employed to cluster MHD modes using plasma signals and mutual information, enabling the automatic classification of different oscillatory modes without needing labeled data. These feature creation steps and clustering methods offer a scalable solution for processing large datasets from fusion experiments, allowing for systematically identifying important plasma instabilities.
The thesis also explores computer vision filtering methods for feature extraction from spectrogram images. These filters are based on spectral analysis: Fourier transform, wavelet transform, and Hough transform. They improve the quality of the spectrogram data by reducing noise and undesired features, enhancing time frequency structures related to the plasma oscillations.
Furthermore, segmentation algorithms commonly used in computer vision (CV) are adapted to identify modes in spectrogram images, enabling precise segmentation of oscillatory patterns. The pipeline of CV algorithms for segmentation is the following: noise filters, ridge detector, automatic thresholding, and labeling regions.
This result might be key for systematic signal labeling, a crucial step toward automating the labeling of plasma diagnostic signals. The methods developed here provide a necessary step for future training of deep learning models, which could further enhance real-time plasma monitoring and control in fusion reactors.
 
Key words: MHD modes, Alfvén instabilities, machine learning, sparse, elastic net, Gabor atoms, signal analysis, unsupervised learning, computer vision, segmentation, labelling.

Jury :
VEGA   Jesús   CIEMAT   Laboratorio Nacional de Fusion   / Rapporteur
FRÉNOD   Emmanuel   UBS   Laboratoire de Mathématiques de Bretagne Atlantique   / Rapporteur
MANTSINEN   Mervi   Barcelona Super Computing Center   Computer Applications in Science & Engineering Department   / Examinatrice
REA   Cristina   MIT   Plasma Science and Fusion Center   / Examinatrice
VERDOOLAEGE   Geert   Gent Univ   Applied Physics Department   / Examinateur
GRANDGIRARD   Virginie   CEA   IRFM   / Président de Jury
ZARZOSO   David   CNRS   M2P2   / Directeur de thèse
PINCHES   Simon   ITER   Plasma Modelling & Analysis Section   / Co-Directeur de Thése
31 octobre 2024 - Lattice Boltzmann method based large eddy simulations of wind farm wakes under the influence of atmospheric thermal stability / Ziwen Wang PhD defense
Doctorante : Ziwen Wang

Date : on October 31st, from 9:00 AM to 12:00 PM ; amphi N°3 - Centrale Méditerranée

Abstract : Wind energy experienced fast growth in the past two decades due to its inherent cleanness and low economic cost. Much attention has been devoted to the wind turbine/farm to access the full potential of wind energy. Wind turbines extract energy from airflow, resulting in a high turbulence and low-velocity wake flow. The downstream wind turbines in the wake suffer from high load and reduce power production. Additionally, wind turbine aerodynamics are highly influenced by the characteristics of the atmospheric boundary layer (ABL). Therefore, a thorough study of the interaction between wind farms and ABL is crucial for the design of wind farms and the optimization of wind farm performance.
Numerical simulations offer advantages in quantitative analysis of interactions between wind farms and ABL compared to experimental studies. While conventional high-fidelity simulations provide valuable insight into wind farm aerodynamics, their high computational cost limits their industrial application. As an alternative, the efficient lattice Boltzmann method (LBM) offers a promising solution for balancing computational demands whilst enabling accurate aerodynamic analysis. In this study, LBM was integrated with Large Eddy Simulation (LES) to investigate the wake flow of wind turbines and wind farms. The wind turbines were parameterized using the actuator line model. The ground momentum and the thermal flux within the ABL are represented using the Monin-Obukhov similarity theory. A review of different inflow turbulence generation methods in wind energy was provided. The inflow turbulence was constructed using the synthetic eddy method (SEM) as an alternative to the widely used precursor method.
A comprehensive validation of the numerical model was first carried out, including the integration of the wind turbine actuator line model into the LBM-LES solver, the simulation of individual wind turbine wake flow under the influence of atmosphere stability, and the wind farm simulation under neutral boundary layer (NBL) conditions. The results showed good agreement with reference data. The individual wake flow characteristics, such as velocity deficit shape and wake flow recovery rate, are highly influenced by thermal stability. The wake flow inside a wind farm stabilizes after an initial adjustment in the uniform temperature condition.
Onshore and offshore wind farm wakes under the influence of ABL thermal stability were further studied. For the onshore wind farm, the effects of stable and convective conditions were analyzed in detail. The wake behind the first 2 rows of the wind farm recovers faster in the convective condition due to the high ambient turbulence. However, the velocity and the turbulence intensity of the stabilized wake are higher in the stable condition. This is attributed to the larger velocity gradient and increased shear stress in the stable environment, which enhances the vertical kinetic energy exchange. The thermal stability effect can be differentiated between the indirect and direct effects. Indirectly, thermal stability influences ambient turbulence magnitude and velocity gradient, leading to varying levels of turbulence production and energy exchange. Directly, buoyancy forces primarily impact the wake flow behind the first two rows of turbines. Beyond this point, turbine rotation mixes high and low-temperature flows, rendering the flow relatively neutral deeper inside the wind farm. In addition, the performance of two typical analytical models was analyzed by comparison with the current LES results. The results highlight the importance of considering turbulence intensity in analytical models. Current empirical models for wind turbine-induced turbulence do not adequately represent variations induced by thermal stability.
As for the offshore wind farm, simulations were conducted with constant sea surface roughness. The wake flow stabilizes after the second wind turbine, with a slower wake recovery due to the lower inflow turbulence intensity compared to the onshore wind farm. A comparison was further performed between the results of the analytical models and the LES. The PARK model overpredicts the wake flow velocity behind the first turbine while underpredicting the near wake velocity and overpredicting the far wake velocity from the second turbine onwards. This is attributed to the low wake recovery rate predictions. The NPA model underpredicts wake flow behind the first turbine but performs well in predicting the wake flow at equilibrium, with overprediction in front of each row of turbines due to the model not accounting for the blockage effect.
These findings offer valuable insights into the aerodynamic and thermal dynamics within large wind farms, both onshore and offshore, contributing to the optimization of wind energy production.


Jury
Michel VISONNEAU     - Rapporteur                Directeur de recherche                CNRS
Guillaume BALARAC    - Rapporteur                Professeur des universités          Université de Grenoble
Sylvain GUILLOU         - Examinateur              Professeur des universités          Université de Caen
Mickael GRONDEAU   - Examinateur              Maître de conférences                 Université de Caen
Frédéric BLONDEL      - Examinateur              Ingénieur de recherche                IFPEN
Sandrine AUBRUN      - Présidente du Jury    Professeure                                  Ecole Centrale de Nantes
Pierre SAGAUT           - Directeur de thèse     Professeur des universités           Aix-Marseille Université
Jérôme JACOB           - Membre invité            Ingénieur de recherche                CNRS 
24 septembre 2024 - Supercritical technology applied to the development of innovative intravitreal sustained-release drug delivery systems / Matthieu Schneider PhD defense
Doctorant : Matthieu SCHNEIDER

Date : le 24 septembre à 9h00, amphithéâtre du CEREGE, technopole de l'Arbois

Abstract : Age-related macular degeneration (AMD), manifested by the appearance of a dark spot in the center of the vision, has become a significant public health issue, with the number of patients set to rise over the coming decades. Since 2006, the pharmaceutical industry has introduced therapies with monthly intravitreal injections of anti-VEGF (vascular endothelial growth factor) antibodies to mitigate its development. Designing an intravitreal implant with antibody release controlled over twelve weeks has been proposed to simplify therapy management. Antibodies are thermally, chemically, and biologically sensitive therapeutic proteins. This study demonstrates the potential of the Sequential Dispersion Particles from Gas Saturated Solution (SD-PGSS) process for encapsulating sensitive active ingredients. The SD-PGSS process enables work to be carried out at moderate temperatures (38 °C) and without solvent. The study focused on the optimization of operating conditions through the investigation of polyesters (Polycaprolactone PCL, poly(Lactide-co-Glycolide) PLGA, and a polyether (Poly(Ethylene Glycol) PEG) biocompatible in the presence of supercritical CO2. Two operating conditions were selected: 38 °C/25 MPa for PCL and the PCL/PLGA blend (1:1 w/w) and 45 °C/25 MPa for PCL alone and the PCL/PEG blend (1:1 w/w). The implementation of the SD-PGSS process resulted in a repeatable process with high yields (80 - 95%). The study of two model molecules, lutein, a small hydrophobic molecule of therapeutic interest studied in an oral administration context, and bovine serum albumin, a hydrophilic protein studied in an intravitreal release scenario, demonstrated the repeatability of the process, the homogeneity of the final product, and the possibility of modulating the release in vitro. The antibody study demonstrated low activity maintenance and prolonged release for up to 8 weeks, leading to a prototype with compatible dimensions for ophthalmic use.

Jury
Géraldine PIEL                         Rapporteuse / Professeure, Université de Liège, Belgique
Ernesto DI MAIO                      Rapporteur / Professeur, Université de Naples-Federico II, Italie
Martial SAUCEAU                    Examinateur / Maître-assistant, Ecole des Mines d’Albi-Carmaux
John CONRATH                       Président du jury / Professeur - Chirurgien, Clinique Monticelli 
Elisabeth BADENS                   Directrice de thèse / Professeure, Aix-Marseille Université 
Yasmine MASMOUDI               Co-directrice de thèse / Maître de conférences , Aix-Marseille Université
Frédéric MATONTI                   Membre invité / Professeur - Chirurgien , Clinique Monticelli
Céline OLMIERE                      Membre invitée / Directrice scientifique, Théa Open Innovation 
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
25 juin 2024 - Intensification de filière industrielles de traitement des eaux et des effluents par procédés membranaires : Vers une utilisation plus sûre et plus durable de l'eau / Soutenance HDR Mathias Monnot
Date et lieu :  le mardi 25 juin à 9h15, salle de projection du Forum à l'Arbois (Technopôle de l'Arbois, avenue Louis Philibert à Aix-en-Provence)

Résumé : La mise en œuvre des procédés membranaires pour le traitement des eaux et des effluents a connu un essor considérable ces dernières années grâce à leur potentiel d’intensification des filières industrielles. Par rapport aux procédés conventionnels de séparation, les procédés membranaires permettent généralement une augmentation de la productivité et de la sélectivité, une réduction de l’emprise au sol, une réduction de la consommation en produits chimiques, et même souvent une réduction des coûts d’investissement et de fonctionnement. Ils permettent aussi des séparations sur une large gamme de tailles, du micromètre au nanomètre. Dans ce contexte d’intensification et en considérant les enjeux actuels majeurs de la protection de l’environnement et de la ressource en eau, il s’agit d’étudier l’efficacité des procédés membranaires dans les domaines de la production d’eau potable, de la production d’eau pour des applications industrielles, du traitement des eaux usées domestiques et des effluents industriels. Les travaux présentés dans ce manuscrit d’Habilitation à Diriger les Recherches visent donc à améliorer l'efficacité et la durabilité des filières de traitement des eaux et des effluents, en se concentrant sur la réduction de l'impact environnemental pour diverses applications et sur l'amélioration de la qualité de l’eau en particulier vis-à-vis de polluants microbiologiques et microplastiques. Dans ce cadre, les résultats obtenus ont ainsi contribué à améliorer l’état des connaissances scientifiques au sujet de la faisabilité des procédés membranaires pour de nouvelles applications et de l’optimisation de leur fonctionnement à échelle semi-industrielle voire industrielle. Le développement de techniques analytiques poussées au service du Génie des Procédés est un réel apport à cette intensification. Des perspectives de recherche pour une utilisation plus sûre et plus durable de l’eau grâce aux procédés membranaires sont également présentées.

Mots-clés : procédés membranaires, intensification, génie des procédés, traitement de l'eau, eau potable, eaux usées, effluent industriel, polluants émergents

Jury
Corinne CABASSUD                  Rapporteure /   Professeure des Universités émérite – INSA Toulouse
Jean-Philippe CROUÉ               Rapporteur /   Professeur des Université – Université de Poitiers
Julie MENDRET                         Rapporteure /   Maître de Conférences HDR – Université de Montpellier
Christel CAUSSERAND              Examinatrice /   Professeure des Universités – Université de Toulouse 3
Alberto FIGOLI                         Examinateur /   Directeur de Recherche – Université de Calabre, Italie 
Pascal WONG WAH CHUNG      Examinateur /   Professeur des Universités – Aix-Marseille Université
Philippe MOULIN                     Tuteur d’HDR /   Professeur des Universités – Aix-Marseille Université
Sylvain DURÉCU                       Invité /   Directeur de la R&D chez Séché Environnement
19 juin 2024 - Récupération de catalyseurs homogènes au palladium issus de milieux pharmaceutiques par procédés membranaires / Soutenance de thèse Adrien Magne
Doctorant : Adrien MAGNE

Date et lieu : Mercredi 19 Juin à 9h, Amphithéâtre du CEREGE, Technopôle de l'Arbois-Méditerranée, 13545 Aix-en-Provence

Résumé : Les catalyseurs homogènes au palladium permettent de réaliser des réactions chimiques aux rendements et sélectivités élevés les rendant ainsi indispensables en pharmaceutique. Cependant, il s’agit de composés toxiques sensibles à la dégradation. Isoler ces catalyseurs en fin de synthèse sans perte d’activité mènerait donc à des gains environnementaux et économiques majeurs. Cette thèse, appliquée à un cas concret du groupe SANOFI, doit répondre à deux problématiques : (i) une matrice de solvants organiques qui a orienté l’étude vers les matériaux céramiques, plus résistants et permettant une industrialisation, et surtout (ii) un catalyseur et un intermédiaire pharmaceutique de tailles similaires, respectivement 701,9 et 568,5 g.mol-1. La nanofiltration de solvants organiques offre ainsi des perspectives intéressantes. Des catalyseurs de substitution plus lourds et/ou plus encombrés ont été sélectionnés et synthétisés, et des membranes de différents seuils de coupure ont été testées. De plus, de nombreuses méthodes analytiques ont été développées pour quantifier les performances du procédé mais également évaluer l’activité du catalyseur au cours de la séparation. Si la séparation n’est pas possible avec des membranes 1 kDa, l'intérêt d’augmenter la taille des composés a été confirmée avec des rétentions en palladium qui augmentent de 13 % (référence) à 18 % (substituant lourd). Les membranes de nanofiltration plus fines ont conduit à des résultats de rétentions légèrement supérieurs mais la caractérisation de celles-ci a conclu que les seuils de coupure étaient similaires, soulevant ainsi la problématique de la définition du seuil de coupure par différents fabricants.

Mots clés : nanofiltration de solvants organiques, membranes céramiques, récupération de catalyseurs, industrie pharmaceutique

Jury :
Murielle RABILLER-BAUDRY, Professeure des Universités à l'Université de Rennes - Rapporteure
Marwen MOUSSA, Maitre de Conférences à INRAE-AgroParisTech - Rapporteur
Didier NUEL, Maitre de Conférences à Centrale Méditerranée - Examinateur
Philippe KNAUTH, Professeur des Universités à AMU - Examinateur
Philippe MOULIN, Professeur des Universités à AMU - Directeur de thèse
Emilie CARRETIER, Professeure des Universités à AMU - Co-directrice de thèse
Thomas CLAIR, Membre invité (Sanofi Winthrop Industrie)
Lilivet Aracelis UBIERA RUIZ, Membre invitée (Sanofi Winthrop Industrie)
10 avril 2024 - Vers une meilleure valorisation de la biomasse de'Arthrospira platensis (Spirulina): Contribution à sa culture et bioraffinerie / Soutenance de thèse Alejandra Gutierrez Marquez
Doctorante : Alejandra GUTIERREZ MARQUEZ

Date et lieu : mercredi 10 avril 2024 à 14h ; Salle P2A BIAM, Bat. 1900 ; Cité des énergies ; CEA-Cadarache

Résumé : Utilisée en agroalimentaire, nutraceutique et cosmétique sous forme brute ou de produit raffiné, A. platensis suscite un intérêt croissant mais sa culture et son bioraffinage représentent un réel défi. Ce doctorat s’est attaché à proposer et tester des procédés durables pour améliorer ces deux aspects.
Ce travail contribue à évaluer le potentiel de réutilisation du CO₂ par A. platensis lors de sa culture et l'impact des photopériodes sur sa productivité en biomasse et pigments. L'assimilation du CO₂ est caractérisée via un modèle adossé à des mesures expérimentales. Dans les conditions de laboratoire testées, une photopériode de 24 heures augmente à la fois la productivité en biomasse de 74 % et la teneur en phycocyanine de 35 %.
Les extractions sous pression sont réalisées par des mélanges éthanol/eau (PLE) et CO₂ supercritique (scCO2). Les conditions optimales trouvées en PLE sont 60°C/100 % d'éthanol et 65 °C/90 % d'éthanol (v/v) à 103 bar, respectivement pour une biomasse avec et sans extraction préalable des phycobiliprotéines par macération. L'extraction par scCO2, dont la cinétique a été modélisée par les équations de Sovová, induit une perte de masse de 7,7 % à 60 °C et 300 bar.
Ce travail permet de proposer un schéma de bioraffinerie en trois étapes, commençant par une première extraction de la biomasse par macération aqueuse afin d’extraire les phycobiliprotéines. Une deuxième étape d’extraction avec une solution d’éthanol sous pression permet ensuite la séparation d’un mélange de pigments lipophiles et composés phénoliques antioxydants. Puis, après séchage, l’extraction de la fraction apolaire par scCO2 permet d’isoler une fraction huileuse riche en caroténoïdes et d’obtenir une biomasse résiduelle riche en protéines.

Mots clés : A. platensis, CO2-mitigation, pigments, valorisation, solvants verts

Jury :
Céline LAROCHE Université Clermont Auvergne / Rapporteur
Miguel HERRERO Institute of Food Science Research, CIAL (CSIC-UAM) / Rapporteur
Abril LANSOY CRES-TOTAL ENERGIES / Examinateur
Luc MARCHAL Université de Nantes  / Président du jury
Elisabeth BADENS Aix-Marseille Université / Directrice de thèse
Christelle CRAMPON Aix-Marseille Université / Co-directrice de thèse
Gatien FLEURY MAP, CEA / Co-encadrant
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

21 février 2024 - Study of Thermoacoustic Instabilities using the Lattice Boltzmann Method / PhD Defense Karthik Bhairapurada
Doctorant : Karthik BHAIRAPURADA

Date : le mercredi 21 février 2024 à 14h00 dans l’amphithéâtre du LMA ; 4, impasse Nikola Tesla ; 13013 Marseille

Abstract : In the quest to address global warming, renewable energy has emerged as a critical focus. Yet, the reality of our current energy landscape makes the complete abandonment of combustion technologies unfeasible. Innovations such as 'Lean Burn' combustion and the integration of cleaner fuels like Hydrogen offer a compromise, balancing immediate energy demands with environmental objectives. However, these advancements also introduce significant challenges, especially the heightened risk of thermoacoustic instabilities in combustion systems, which could lead to catastrophic failures.
Traditional experimental methods for studying and mitigating these instabilities are not only prohibitively expensive but also often impractical. Consequently, there is a growing advocacy for the adoption of advanced numerical methods as efficient and cost-effective alternatives. This thesis underscores the potential of one such method, known as the Lattice Boltzmann Method (LBM). LBM is a numerical method renowned for its distinctive algorithmic structure that facilitates linear interactions between adjacent nodes and enables the local evaluation of non-linear terms. These inherent features endow LBM with computational efficiency and low dissipation properties for acoustics transport, making it a promising tool for simulating flame-acoustic interactions and addressing thermoacoustic instabilities.
This research validates the capabilities of LBM in effectively resolving such instabilities. Through foundational assertions of simple flame-acoustic interactions and simulations within narrow channels, the reliability of the method for investigating combustion instabilities across various scenarios is established. Furthermore, the thesis also explores the field of 'Combustion Noise', demonstrating the potential of LBM in investigating sound generation and propagation phenomena, particularly in hydrogen-fueled combustion scenarios. Finally, the robustness and versatility of LBM in handling thermoacoustic instabilities of turbulent reactive flows in complex geometries are demonstrated through the simulation of an aeronautical burner configuration called PRECCINSTA.
Overall, guided by the importance of innovative numerical methods in bridging the gap between current energy needs and long-term environmental sustainability, this thesis underscores the potential of LBM. Through varied investigations, it not only highlights the capabilities of the method but also contributes to a broader understanding of thermoacoustic phenomena across various settings.

Jury

Mr. Pierre BOIVIN                             Chargé de Recherche, CNRS, France                              Directeur de thèse
Mr. Bruno DENET                             Professeur, AMU, France                                                   Co-Directeur de thèse
Ms. Françoise BAILLOT                   Professeure, CORIA, France                                              Rapporteur
Mr. Vadim KURDYUMOV                 Senior Researcher, CIEMAT, Espagne                               Rapporteur
Mr. Luc VERVISCH                          Professeur, CORIA, France                                                Examinateur
Mr. Laurent GICQUEL                      Senior Researcher, CERFACS, France                              Examinateur
Mr. Julien FAVIER                            Professeur, AMU, France                                                    Président
25 janvier 2024 - Développement d'approches intégrées pour la récupération de nutriments et de vecteurs énergétiques à partir des eaux usées et des biomasses résiduaires / Soutenance HDR Cristian Barca
Date et lieu : le jeudi 25 janvier 2024 à 10h00 au M2P2, Grand Amphithéâtre du CEREGE, Technopôle de l'Arbois, Avenue Louis Philibert 13290 Aix en Provence.

Résumé : La mise en œuvre d’une économie circulaire dans les secteurs des eaux usées et des biodéchets représente aujourd’hui un enjeu de grande actualité pour les chercheurs et les professionnels dans le domaine de la gestion durable des ressources. En effet, la récupération de vecteurs énergétiques et matières premières secondaires à partir des eaux usées et des biodéchets peut représenter une solution durable pour surmonter la pénurie de ressources naturelles non renouvelables. En particulier, les eaux usées et les biomasses résiduaires telles que les boues d'épuration, les digestats de méthanisation et les lisiers d’élevage représentent des sources renouvelables de carbone organique et de nutriments tels que l'azote (N), le potassium (K) et le phosphore (P) qui peuvent être valorisés dans la production de biocarburants (e.g. biogaz, biohuiles) et d'engrais (e.g. précipités de N, K et P). Par conséquent, le développement de procédés innovants qui intègrent la récupération de vecteurs énergétiques et de nutriments lors du traitement des eaux usées et des biomasses résiduaires a reçu une attention croissante au cours de la dernière décennie.
Depuis l’obtention d'un doctorat en Génie des Procédés, mon activité de recherche a porté principalement sur le développement de procédés destinés au traitement et à la valorisation des eaux usées et des biomasses résiduaires, avec un accent particulier sur la récupération de nutriments et vecteurs énergétiques. Ces recherches ont ainsi contribué à l’avancement scientifique des connaissances sur les mécanismes sous-jacents aux phénomènes de conversion et de transfert, ainsi qu’à l’avancement technologique de la conception et de la mise au point des procédés. Dans le cadre de la préparation du diplôme d'Habilitation à Diriger des Recherches (HDR), cette présentation de soutenance portera sur une synthèse des travaux de recherche menés depuis l’obtention du doctorat. Enfin, la stratégie de recherche et quelques perspectives de recherches futures seront présentées.

Mots clés : Eaux usées, Biomasses résiduaires, Nutriments, Biogaz, Économie circulaire

Jury
Mme Alessandra CARUCCI,   Professeur des Universités, Université de Cagliari (Italie), Rapporteur
Mme Véronique DELUCHAT,  Professeur des Universités, Université de Limoges (France), Rapporteur                     
M Rémy GOURDON,   Professeur des Universités, INSA Lyon (France), Rapporteur   
M Florent CHAZARENC,   Directeur de recherche, INRAE Lyon (France), Examinateur
M Eric RECORD,   Directeur de recherche, INRAE Marseille (France), Examinateur
Mme Laure MALLERET,   Maître de Conférences (HDR), Aix-Marseille Université (France), Examinateur
M Olivier BOUTIN,   Professeur des Universités, Aix-Marseille Université (France), Tuteur
M Jean-Henry FERRASSE,   Professeur des Universités, Aix-Marseille Université (France), Invité
19 janvier 2024 - Maillage automatique et méthodes Machine Learning pour la prédiction de grandeurs fluides pour les rentrées atmosphériques / Soutenance de thèse Iko Midani
Doctorant : Iko Midani
Date : le vendredi 19 janvier 2024 à 14h00 dans l’amphithéâtre du LMA ; 4, impasse Nikola Tesla ; 13013 Marseille

Résumé : Dans le secteur spatial, l'émergence de nouveaux acteurs, tels que des entreprises privées opérant des constellations de satellites ou proposant du tourisme spatial, a suscité des préoccupations cruciales quant au partage de l'espace dans les années à venir. L'accroissement des activités spatiales a mis en lumière le problème croissant des débris spatiaux. Bien que la prise de conscience des risques liés aux débris spatiaux ne soit pas nouvelle, des progrès ont été réalisés depuis que la possibilité de collisions rendant l'orbite terrestre inutilisable a été soulevée. Des mesures visant à réduire les débris ont été mises en place, avec de nombreuses agences spatiales gouvernementales établissant des lignes directrices. La principale solution pour gérer les débris spatiaux réside dans leur rentrée atmosphérique, bien que cette approche présente des défis. En effet, la simulation d'une rentrée atmosphérique est complexe en raison des phénomènes multiphysiques impliqués, rendant les codes de simulation numérique haute-fidélité tel que les outils CFD inutilisables en raison de leurs temps de calcul excessifs. Des outils à temps de réponse rapide ont été développés pour évaluer le risque au sol posé par les débris, calculant les distributions des coefficients de pression et des flux de chaleur à la paroi à chaque instant de la rentrée atmosphérique. Cependant, ces modèles réduits ne prennent pas en compte la complexité physique requise pour prédire précisément la dégradation des structures dans certaines situations. L'objectif de la thèse présentée est de développer de nouveaux outils améliorant la prédiction de ces quantités. À cette fin, un code CFD Euler simplifié avec génération de maillage automatique est mis en place. Une structure de type maillage Cartésien Octree avec des méthodes de d’adaptation de maillage de type AMR sont développés. Dans un second temps des méthodes de frontières immergées (IBM) sont incorporées afin de capturer avec précision le coefficient de pression à la paroi. La dernière partie de cette thèse implique le développement d’un modèle statistique basé sur des méthodes d'apprentissage automatique afin de prédire le flux de chaleur à la paroi. La thèse comprend plusieurs validations sur des formes simples, avec des applications industrielles impliquant des formes réelles et complexes. Ces travaux visent à concilier l'efficacité des modèles simplifiés avec la précision des simulations CFD, contribuant ainsi à la gestion et à la prévention des risques liés aux débris spatiaux dans un contexte spatial en constante évolution.

Mots clés : rentrées atmosphériques, aérothermodynamique, hypersonique, maillage automatique, méthodes des frontières immergées, Machine Learning

Jury
M. Marcello MELDI - ENSMA / Rapporteur                       
M. Vincent MOURREAU - CORIA / Rapporteur
M. Pierre-Henri MAIRE - CEA/CESTA / Président du jury
Mme. Stéphanie PERON - ONERA / Examinatrice
M. Julien FAVIER – AMU / Directeur de thèse
M. Pierre BOIVIN – CNRS / Co-Directeur de thèse
M. Eddy CONSTANT - R.Tech / Invité, Encadrant industriel
12 janvier 2024 - Caractérisation clinique, expérimentale et numérique des propriétés mécaniques de la paroi de la racine aortique / Soutenance de thèse Marien Lenoir
Doctorant : Marien Lenoir
Date : le vendredi 12 janvier 2024 à 14h00 dans l’amphi N°2 / Centrale Méditerranée, 38 Rue Frédéric Joliot Curie, 13013 Marseille

Résumé : La thèse porte sur la caractérisation des propriétés mécaniques de la racine aortique, avec comme objectif principal sa modélisation numérique dans le contexte de simulations numériques fluide-structure. La première partie de l'étude a consisté́ à obtenir les propriétés biomécaniques à partir de sujets sains, in vivo, en utilisant l'IRM. Ensuite, une partie ex vivo a été développée avec une méthode novatrice. Cette méthodologie repose sur l'utilisation de racines aortiques humaines récupérées grâce à l'agence de la biomédecine sur un échantillon de 10 greffons. Cette nouvelle méthode implique la pressurisation de la racine aortique, associée à l'acquisition d'images par micro- CT. L'évolution des déformations des racines aortiques, ainsi que les mesures de pression, ont permis d'obtenir des courbes contrainte/déformation associées au module de Young. Une modélisation de la déformation a ensuite été réalisée, et une méthodologie numérique utilisant la méthode des éléments finis a été mise en place. 
Pour simuler le comportement mécanique des racines aortiques sous l'effet de la pression, la méthode des éléments finis a été utilisée, grâce au logiciel de simulation open-source Calculix. Les déformations pariétales induites par les conditions hémodynamiques ont été simulées pour des modèles de déformations élastiques linéaires selon deux zones de pression. Les déplacements prédits par le modèle numérique ont été comparés aux déplacements expérimentaux mesurés par le micro- CT. Les propriétés mécaniques des vaisseaux ont été identifiées et comparées à celles de la littérature. 
L'un des défis de cette thèse a été de déterminer les propriétés hyper-élastiques des vaisseaux sanguins à partir des paliers de pressions et de la déformation. La méthode a permis de conclure que le module de Young en faible pression avoisine les 0,6MPa, tandis que celui en forte pression se situe dans un intervalle entre 2,5 MPa et 5,6MPa. Ces résultats démontrent l'efficacité de la méthode développée pour caractériser les propriétés mécaniques de la racine aortique et soulignent l'importance de l'approche numérique dans la compréhension et la modélisation du comportement de la racine aortique. 

Mots clés : racine aortique, biomécanique, chirurgie cardiaque, courbe contrainte - déformation 

Jury

Pr Jean-Philippe Verhoye - Université de Rennes / Rapporteur                         

Pr Franck Nicoud - Université de Montpellier / Rapporteur

Pr Ismail El Hamamsy - Université Icahn School of Medicine at Mount Sinai - New York / Président 

Pr Lucile Houyel  - Université de Paris / Examinateur

Pr Julien Favier - Université de Aix-Marseille / Directeur de thèse

Pr Loïc Macé - Université de Aix-Marseille / Co-directeur de thèse

21 décembre 2023 - Quantification d’incertitudes pour la dispersion turbulente de polluants liés au trafic routier à l'échelle micro-urbaine / Soutenance de thèse Mathis Pasquier
Doctorant : Mathis Pasquier
Date : le jeudi 21 décembre 2023 à 14h00 / IFP Energies Nouvelles, 1-4 Avenue Bois Préau, 92500 Rueil-Malmaison / Amphi Séquoia 

Résumé : Le trafic routier contribue significativement aux émissions urbaines de NOx et à la dégradation de la qualité de l'air, ce qui constitue un problème de santé publique. La simulation numérique est un outil stratégique pour le contrôle de la qualité de l'air, et les modèles haute-fidélité basés sur la mécanique des fluides numérique (CFD) permettent une meilleure compréhension physique de la dispersion atmosphérique de polluants, à un coût de plus en plus abordable. Cependant, les incertitudes aléatoires associées aux phénomènes naturels et humains compromettent les capacités prédictives de tels modèles. Dans cette thèse, nous abordons l'évaluation quantitative de l'importance relative des incertitudes aléatoires liées à la météorologie et au trafic dans des simulations CFD haute-fidélité de la pollution atmosphérique induite par les émissions routières à l'échelle micro-urbaine. Dans la première partie de ce travail, nous construisons une chaîne de modélisation en couplant le code open-source OpenLB, qui emploie la méthode de Boltzmann sur réseau, avec le simulateur de trafic microscopique SUMO et un modèle de moteur physique afin de calculer des émissions routières réalistes et simuler la dispersion de polluants associée dans des écoulements urbains fortement turbulents. Nous proposons une stratégie pour résoudre les problèmes de stabilité du code OpenLB pour les écoulements à haut Reynolds avec transport de scalaire passif en présentant un nouvel opérateur de collision stable pour l'advection-diffusion. Le code est validé avec succès sur des cas académiques de complexité croissante et les émissions stationnaires non-uniformes estimées avec la chaîne de modélisation complète sont utilisées pour obtenir des cartographies spatiales bidimensionelles de concentration de polluant dans un quartier urbain réaliste. Cette étude présente une des premières applications d'OpenLB à la simulation de dispersion turbulente de scalaire passif en géométrie complexe. La seconde partie de ce travail présente la construction d'un cadre de quantification d'incertitudes pour des analyses de sensibilité globales basées sur la variance des sorties fonctionnelles de la chaîne de modélisation coûteuse. Pour ce faire, nous comparons deux méthodes disponibles pour construire des modèles de substitution pour sorties fonctionnelles, une première basée sur la décomposition orthogonale propre couplée à la régression par processus gaussiens (POD-GPR) et une seconde, dénommée c-APK, appliquant la POD-GPR aux termes d'une décomposition ANOVA de la quantité d'intérêt. Nous montrons que la c-APK n'est pas robuste au bruit associé aux erreurs de convergence statistique dans les données d'entraînement obtenues avec la chaîne de modélisation. Nous utilisons donc la POD-GPR pour construire des métamodèles pour les champs de concentration moyennée temporellement et de probabilité de dépassement de seuil sur le cas de dispersion en géométrie réaliste. Enfin, ces métamodèles sont utilisés pour construire des cartes d'indices de Sobol' pour l'analyse de sensibilité avec 2 variables incertaines météorologiques et 3 variables liées au trafic routier.

Jury

M. Pierre SAGAUT - Aix Marseille Université  / Directeur de thèse

M. Mathias J. KRAUSE - Karlsruhe Institute of Technology  / Rapporteur

M. Lionel SOULHAC - INSA de Lyon   / Président

M. Stéphane JAY - IFP Energies Nouvelles /  Co-encadrant de thèse

Mme Mélanie ROCHOUX  - CERFACS  / Rapporteure

Mme Maria-Vittoria SALVETTI  - Università di Pisa / Examinatrice

Mme Amandine MARREL - Commissariat à l'energie atomique et aux énergies alternatives / Invitée

Mme Delphine SINOQUET - IFP Energies Nouvelles / Invitée

13 décembre 2023 - Machine learning for numerical processing and analysis of kinetic and fluid simulations of fusion plasmas / PhD Defense Jai Kumar
Doctorant : Jai Kumar
Date : le mercredi 13 Décembre 2023 à 14h00 / CEA, IRFM, F-13108 Saint-Paul-lez-Durance / Bat 506, Salle René Gravier + Zoom

Abstract :  The study of magnetic fusion plasmas is usually done through three main axes: analytic theory, numerical modeling and experiments. Because of the increased level of complexity required to model fusion plasmas, the numerical approach needs largescale simulations performed on high-performance computers (HPC). Although the most advanced HPC facilities now allow the integration of the model equations in a very performant fashion, the large amount of high- dimensional data that are generated from the simulations can hardly be handled, either because of the large storage requirements or because of the impossibility to explore with standard post-processing tools the high-dimensional phase space. For this reason, this thesis proposes numerical methods based on artificial intelligence techniques to rationalize the storage of the simulation results and extract meaningful information from the high- dimensional data. The first part of the thesis focuses on the application of a recently developed deep learning technique called Physics Informed Neural Networks (PINN). It is based on a standard multilayer perceptron with a loss function that includes a term to enforce the neural network to satisfy the differential equation that is being solved. This technique is employed to reduce the storage space needed for the simulation results and extended to solve the differential equations using mesh-free algorithms. PINN is applied to a reduced model of the Vlasov-Poisson system implemented in the VOICE code as a test case to store the results of wave-particle resonance simulations. Two physical cases where the wave-particle resonance plays a significant role have been considered: (1) the Landau damping and (2) the bump-on-tail instability. Using PINN, it is shown that the storage space required to store the simulation results is reduced by almost a factor of 600. The work presented in this thesis goes beyond the application of PINN to differential equations. It proposes a way to include the physical information in the Poisson equation, an integro-differential equation for which standard PINN cannot be applied directly. A new PINN variant, called Integrable PINN (I-PINN), is developed based on automatic-integration and employed to solve the Vlasov-Poisson system successfully. The training of both PINN and I-PINN is implemented with data parallelization on GPUs to achieve faster results. The second part of this thesis aims at extracting information from simulations performed with a fluid code to model 2D turbulence in tokamak plasmas. For this purpose, unsupervised machine learning methods are applied to the results of a reduced model called TOKAM2D. Density-based clustering is used to isolate structures that are representative of avalanche-like events. By means of this technique, the different time scales present in the simulation are recovered. Finally, convolutional auto-encoders are applied to detect rare events and anomalies (both physical and nonphysical), with particular emphasis on the possible application to online detection.

Jury

M. Emmanuel FRANCK - Université de Strasbourg / Rapporteur

M. Emmanuel FRÉNOD - Université Bretagne Sud / Rapporteur

Mme Virginie GRANDGIRARD - CEA Cadarache / Co-directrice de thèse

M. Stefan KESSELHEIM - Forschungszentrum Jülich / Examinateur

M. Didier LUCOR - Université Paris Saclay / Examinateur

M. Eric SERRE - CNRS, Aix-Marseille Université / Président du jury

M. David ZARZOSO-FERNANDEZ - CNRS, Aix-Marseille Université / Directeur de thèse

11 décembre 2023 - Modeling and analysis of the dynamics of viscoelastic fluids undergoing oscillatory forcing: application to mucus clearance / PhD Defense Amirhosein Nosrat Kharazmi
Doctorant : Amirhosein Nosrat Kharazmi  
Date : le lundi 11 décembre 2023 à 14h00 /  Centrale Méditerranée, Plot 6, Amphi n°3

Abstract :  Viscoelastic fluids are ubiquitous in the human body and more generally in nature, and their study offers numerous applications across various industrial sectors, including the health, biomedical, and pharmacy industries. They function as non-Newtonian fluids in several living system structures, including the human cardiovascular-pulmonary network, blood, and mucus, displaying both viscous and elastic characteristics. Due to their complex behavior, simulating numerically the dynamics of these fluids remains challenging because of the non-linear character of the equations and the associated numerical instabilities. In this work, a viscoelastic flow undergoing an unsteady forcing is simulated numerically by solving the momentum equations coupled to a constitutive equation for the fluid, namely the Oldroyd-B model. In this model, polymer molecules are considered as two beads connected by a spring and surrounded by a viscous fluid. To overcome the numerical instabilities arising from high elasticity effects, a hybrid lattice Boltzmann-finite difference method is proposed to solve viscous and elastic parts, respectively. The numerical approach is validated on several numerical benchmark test cases, including the Taylor green vortex, two-dimensional Poiseuille flow, and two-dimensional flow past a cylinder. The results present a good agreement with analytical solutions and literature reference data. A physical analysis of the dynamics of forced viscoelastic fluid flows is performed in the context of mucus clearance in the human respiratory system. The results show that the highest flow rate of mucus can be achieved in cases of resonance, i.e., when the frequency of the Womersley flow matches the natural frequency of the viscoelastic fluid. An increase in elasticity is found to lead to a higher mean flow rate in the case of viscoelastic shear-thinning fluids, while for Newtonian viscoelastic fluids, the mean flow is independent of elasticity. On the other hand, the flow rate decreases by adding yield stress to elasto-viscoplastic fluid. These results are meaningful in the context of biomedical devices improving mucociliary clearance of bronchial mucus. Keywords: lattice-Boltzmann method, viscoelastic fluid, Oldroyd-B equation, non-Newtonian flow, mucus, periodic forcing, bronchial clearance.

Jury

Directeur de these M. Julien FAVIER Aix Marseille Université

CoDirecteur de these M. Umberto D'ORTONA CNRS / Aix Marseille Université

Examinateur Mme Isabelle CHEYLAN Aix Marseille Université

Président M. Alistair REVELL University of Manchester

Rapporteur M. Hugues BODIGUEL Laboratoire Rhéologie et Procédés, Université Grenoble Alpes-Grenoble INP,

Rapporteur M. Gonçalo SILVA University of Évora

1 décembre 2023 - Heavy ions migration in tokamak boundary plasmas : development of a numerical model to interpret WEST experiments / PhD Defense Stefano Di Genova
Doctorant : Stefano Di Genova   
Date : le vendredi 1er décembre 2023 à 14h00 /  CEA-Cadarache, bâtiment 506, Cadarache, 13108, Saint-Paul-lez-Durance / Salle René Gravier 

Abstract :  Tungsten (W) is considered to be the most suitable material for the Plasma-Facing Components (PFCs) of future tokamak fusion reactors. Nonetheless, the deployment of this material in tokamak experiments has been shown to be detrimental to plasma discharges: W is eroded from the wall and contaminates the plasma, causing large power losses through radiation. Plasma operations in the W Environment Steady-state Tokamak (WEST) are heavily influenced by W contamination. In WEST discharges, the power loss due to W contamination is, on average, around 50% of the total power injected into the plasma. Moreover, the radiated power fraction is insensitive to plasma conditions. The causes behind this experimental trend are not fully understood. Furthermore, in experiments, it is not possible to detect which eroded PFCs impact the plasma W content the most. For these reasons, the experimental analysis of W contamination in WEST must be supported by modelling activities. The modeling of W migration in WEST helps estimate the W screening at the different PFCs and analyse the contamination trends in the tokamak. During this Ph.D. thesis, two well-established numerical tools (SOLEDGE and ERO2.0) are used to model the boundary plasma and the W migration in WEST plasma discharges. Based on simulations, a close analysis of the erosion of each WEST PFC and its impact on the plasma W content is performed. Results show that the WEST lower divertor is the most eroded PFC, but it is also the most screened one. On the other hand, less eroded components could impact the plasma W content more than the lower divertor. The tokamak upper divertor, the external surface of the baffle, and the antenna protections might be unscreened enough to influence the plasma W content even at low erosion rates. The research activity focuses on the antennas: 3D simulations of the boundary plasma are carried out using a complex wall geometry, the 3D wall is equipped with toroidally localized objects representing WEST antennas. The antenna protections are weakly screened, and the impact of their erosion on the plasma W content is predominant over the other PFCs one. The 3D model is used to analyze W migration over the WEST operational domain. The WEST database is sampled to obtain a scan of simulation input parameters that mimic the WEST plasma conditions over an experimental campaign. The simulation results are compared to WEST diagnostics data (reflectometry, Langmuir probes, and visible spectroscopy) to verify that the simulated plasma conditions are compatible with the WEST database. The W migration trend is analysed: the W density increases proportionally with the power entering the scrape-off layer and strongly drops when the radial distance between the separatrix and the antennas (Radial Outer Gap, ROG) increases. The radiated power is estimated in simulations with a simple 0D model. At a given ROG, the radiated power is proportional to the total injected power, with the radiated fraction which is not sensitive to plasma conditions. These trends are qualitatively and, at times, quasi-quantitatively comparable to what is observed in WEST experiments. In simulations, the radiated fraction is insensitivity to plasma conditions is related to the low screened W influx caused by the erosion of the antenna protections. This research activity shows how simplified numerical simulations of the boundary plasma and W migration can give a realistic picture of the W migration trends in tokamak experiments. The results also underline the importance of the main chamber PFCs located close to the confined plasma. Finally, this work points out how the net W influx coming from low screened PFCs might be weakly affected by plasma conditions and how it might become challenging to control during plasma discharges.

Jury

Directeur de these M. Eric SERRE M2P2, CNRS, Centrale Méditerranée, Aix Marseille Université

Président M. Khaled HASSOUNI LSPM, CNRS-UPR 3407, Université Paris 13

Rapporteur M. Karl KRIEGER Max-Planck-Institut für Plasmaphysik

Rapporteur M. David DONOVAN University of Tennessee Knoxville

Examinateur Mme Emmanuelle TSITRONE IRFM, CEA-Cadarache

Examinateur M. Paolo INNOCENTE Consorzio RFX

Examinateur M. Sebastijan BREZINSEK IEK-4 Forschungszentrum Jülich et Universität Düsseldorf

CoDirecteur de these M. Guido CIRAOLO IRFM, CEA-Cadarache 

28 novembre 2023 - Exploring Membrane Dynamics through Continuous Media Mechanical Modelling : Insights into Red Blood Cells and T Cell Activation / PhD Defense Varun Puthumana
Doctorant : Varun PUTHUMANA
Date : le mardi 28 novembre 2023 à 14h00 / Amphithéâtre du LMA

Abstract : The lipid bilayer forms the dynamic boundary of cells, while the cytoskeleton provides structural support which is connected to the bilayer through protein junction complexes. Classically, these two structures are often modelled as a single entity for computational simplicity, neglecting the fact that they slide in relation to each other. We develop a realistic representation that accurately depicts the bilayer-cytoskeleton structure which is validated using red blood cells (RBC), by carefully analysing its dynamics in flow. Moreover, as the study progresses, this will be extended to investigate the activation of T cells by the coordinated actions of the cytoskeleton and condensation of the T cell receptor (TCR). 
Through comprehensive computational assessments of various modelling strategies by analyzing RBC behaviour in different flow scenarios, including extensional and shear flows, we explore the efficacy of double-layer strategies, such as the vesicle-capsule and capsule-capsule models, in accounting for the fluidity and surface incompressibility of the lipid bilayer. The double-layer capsule-capsule model is then employed to examine the localized reorganization of the cytoskeleton within T cells which subsequently resorb microvilli and triggers cell activation through the condensation of TCRs. The developed T cell model faithfully replicates the behaviour of an entire T cell during its interaction with an antigen-presenting cell. Our work illuminates the significance of establishing a region with a spontaneous actin deficit to facilitate seamless contact with the T cell, thereby enabling TCR condensation within a specific zone. The dynamic interplay between actin depolymerization and TCR condensation emerges as a pivotal factor in the process of T cell activation. Our findings indicate that the cell's geometry and cytoskeleton depolymerisation together initiate condensation at the tip of microvilli. Additionally, our investigations delve into the role of surface tension in instigating the formation of condensates at the immune synapse.
Our findings also reveal relevant information about the membrane dynamics such that introducing sliding between the layers provides the cytoskeleton with a significant degree of freedom to relax its elastic stresses, resulting in a substantial increase in RBC elongation. Moreover, our research demonstrates that the choice of membrane modelling strategy for RBCs has a more profound impact on their behaviour than the selection of the cytoskeleton's reference shape. These results underscore the importance of not solely considering mechanical properties but also emphasize the necessity of integrating these properties thoughtfully in computational models. Interestingly, our study uncovers a novel indicator for determining the appropriate stress-free shape of the RBC cytoskeleton, contributing to a deeper understanding of its biomechanics and offering valuable insights for future modelling efforts in the field.

Jury

Chaouqi MISBAH, LIPhy, Université Grenoble Alpes, Rapporteur 

Simon MENDEZ, IMAG, Université de Montpellier, Rapporteur 

Nicolas DESTAINVILLE, LPT, Université Toulouse III-Paul Sabatier, Examinateur 

Kheya SENGUPTA, CINaM, Aix-Marseille Université, Présidente 

Rémi LASSERRE, CIML, Aix-Marseille Université, CoDirection de thèse 

Marc JAEGER, M2P2, Aix-Marseille Université, Direction de thèse

24 novembre 2023 - Etude exploratoire pour l’évaluation du potentiel de technologies d’extraction vertes (ScCO2 et liquides pressurisés) pour la valorisation du marc de pomme dans le secteur cosmétique / Soutenance de thèse Venicia Numa
Doctorant : Venicia NUMA
Date : le  vendredi 24 Novembre 2023 à 09h30 à l'amphithéâtre du CEREGE.

Résumé : Cette étude explore le potentiel prometteur du marc de pomme comme source de composés pour l'industrie cosmétique. Des techniques d'extraction vertes, notamment le CO2 supercritique et les liquides pressurisés, sont utilisées pour optimiser l'ensemble du procédé de traitement/valorisation de sous-produits de l’industrie agroalimentaire, du laboratoire à l'échelle pilote. L'objectif principal est d'améliorer l'efficacité de l'extraction des composés d’intérêt du marc de pomme, tels que les polyphénols, les acides gras, les alcools gras et les esters. 
Tout d'abord, la séparation des composés du marc de pomme a été effectuée par extraction avec le ScCO2, à l'échelle laboratoire, sur une gamme de pression allant de 200 à 400 bar et une gamme de température variant de 35 à 55°C, à partir d’une biomasse lyophilisée. Les conditions optimales pour une perte en masse maximale lors de l'extraction et une capacité antioxydante intéressante ont été trouvées à 300 bar et 55°C, avec un rapport CO2/biomasse à 50. La composition des extraits a montré la présence d’un mélange de cires composé d'alcanes, d’acides gras, d’alcools gras, d’acides triterpéniques ou encore d’esters. Certains des acides triterpéniques détectés ont été quantifiés (pour l'acide ursolique), bien qu'en quantités et variétés plus faibles que prévu.
Les extractions ScCO2 réalisées à échelle semi-pilote (2L) et pilote (25L) garantissent une cohérence et une reproductibilité pour les applications industrielles. De l'échelle du laboratoire à l'échelle pilote, un rapport solvant/biomasse de 50 a été maintenu. Les quantités d'extrait obtenues étaient comparables (échelle laboratoire et semi-pilote), ainsi que pour les compositions d'extrait (laboratoire et pilote). L'objectif de cette extraction à plus grande échelle était de faciliter la potentielle industrialisation du procédé chez Symrise, fournissant une base pour les futurs travaux en vue d’une valorisation. 
Enfin, l'étude souligne l'importance de la transition vers une économie circulaire pour une intégration industrielle de procédés durables à long terme. Une estimation des coûts de l’extraction ScCO2 à grande échelle suggère un coût par kg de produit inversement proportionnel aux volumes traités rendant la valorisation avec le ScCO2 économiquement viable. Cette étude réalisée sur le marc de pomme ne permet pas de conclure sur une valorisation possible des extraits en tant qu’actifs cosmétiques à ce stade. Cependant, une valorisation des cires serait envisageable chez Symrise en tant qu’ingrédients fonctionnels. Cette étude offre des perspectives intéressantes pour une valorisation durable, abordant les défis environnementaux et mettant l’accent sur la nécessité d’un futur plus vert dans l'industrie cosmétique. 

Mots-clés : valorisation des drèches de pommes, fluides supercritiques, liquides sous pression, montée en échelle, technologies vertes 

Jury

Professeure Sagrario BELTRAN (Université de Burgos) - Rapporteuse

Professeur Nabil GRIMI (UTC Compiègne)- Rapporteur et président de jury

Docteur Grégory CHATEL (Université Savoie Mont Blanc) - Examinateur

Docteur Vincent PERRUT (Ateliers Fluides Supercritiques) - Examinateur

Professeure Elisabeth BADENS (Aix-Marseille Université) - Directrice de thèse

Professeure Christelle CRAMPON (Aix-Marseille Université) - Co-Directrice de thèse

Docteur Marielle LE MAIRE (Symrise) - Invitée

16 octobre 2023 - Simulation numérique d'émulsions microfluidiques à l'aide du Méthode Boltzmann sur réseau / Soutenance de thèse Gang Wang
Doctorant : Gang WANG
Date :  le lundi 16 octobre 2023 à 14h30 / Amphithéâtre 2 Centrale Méditerranée

Résumé : L'émulsification microfluidique est devenue une méthode populaire pour générer des gouttelettes de tailles et de distributions contrôlées. Cependant, en raison des limitations expérimentales, des outils numériques sont généralement utilisés pour fournir une compréhension approfondie des mécanismes sous-jacents et des effets complexes des écoulements microfluidiques. Cette thèse se concentre sur trois problématiques majeures qui émergent dans la simulation des émulsions microfluidiques en utilisant le modèle multicomposant pseudopotentiel de Boltzmann sur réseau, et sur l'application de méthodes améliorées pour réaliser des simulations microfluidiques. Ces trois problématiques sont la condition de mouillage des parois courbes (puisque de nombreux dispositifs microfluidiques ont des géométries de canaux complexes), la coalescence des gouttelettes dans les émulsions très concentrées, et la condition de sortie permettant aux gouttelettes de quitter le domaine de calcul en douceur.  Actuellement, comme dans la plupart des travaux précédents, la méthode simple de rebond (bounce-back, BB), associée à une interaction d'adhésion fluide-solide, est utilisée pour simuler les angles de contact. Cette méthode est précise pour une paroi droite. Cependant, lorsqu'il s'agit de parois courbes ou complexes, elle n'est pas assez précise car la paroi BB est seulement une approximation en escalier. Nous proposons donc d'étendre la méthode partiellement saturée (partially saturated method, PSM), une méthode précise du second ordre pour les conditions de paroi courbe conçue pour les écoulements monophasiques, aux écoulements multicomposants. La méthode proposée conserve exactement la masse et surpasse la méthode BB en termes de modélisation de l'angle de contact statique et de la fluidité du mouvement d'une gouttelette mouillant des parois courbes.  L'objectif principal de l'émulsion microfluidique est de produire rapidement des micro-gouttelettes de la taille souhaitée, ce qui conduit à des cristaux fluides mous, où les gouttelettes sont fortement concentrées et en contact étroit les unes avec les autres. Expérimentalement, l'ajout d'un agent tensioactif est nécessaire pour éviter que ces gouttelettes très serrées ne fusionnent. Numériquement, les gouttelettes en contact coalescent naturellement lorsque le modèle de pseudopotentiel original est appliqué en raison de l'absence de force répulsive aux interfaces de gouttelette en contact. Nous proposons une méthode simple pour introduire une répulsion aux interface de contact, le but étant d'imiter l'effet des agents tensionactifs. Nous constatons que cette méthode proposée est capable de modéliser des suspensions stables et fluides hautement concentrées, et de reproduire les cristaux fluides mous obtenus dans les expériences.  Dans les simulations microfluidiques, les microcanaux sont généralement tronqués pour des longueurs réduites, ce qui pose un problème aux sorties car les gouttelettes et les phases continues sortent simultanement. Pour permettre aux gouttelettes de quitter le domaine de simulation en douceur, nous appliquons une condition de limite de vitesse améliorée (velocity boundary condition, VBC), basée sur la méthode BB pour une paroi mobile, à la sortie. De plus, deux couches de nœuds fantômes sont mises à jour pour calculer les interactions de pseudopotentiel à la sortie. Avec cette méthode, les gouttelettes peuvent quitter les microcanaux en douceur sans distorsions significatives. À l'aide de ces méthodes améliorées, des simulations d'émulsions microfluidiques dans des canaux de focalisation de flux ont été réalisées, fournissant des aperçus précieux du comportement des gouttelettes dans de tels systèmes.

Jury


Joelle AUBIN (Université de Toulouse), Rapporteure

Florian DE VUYST (Université de Technologie de Compiègne), Rapporteur

Harry VAN DEN AKKER (Université de Limerick), Examinateur

Agnès MONTILLET (Université de Nantes), Président du jury

Pierrette GUICHARDON (Centrale Méditerranée), Directrice de thèse

Umberto D'ORTONA (Université d'Aix-Marseille), Co-Directeur de thèse

Jiupeng DU (Centrale Méditerranée), Invité

28 septembre 2023 - Des crèmes solaires plus sûres, formulées à partir de filtres solaires encapsulés à façon grâce à des procédés en batch et microfluidiques / Soutenance de thèse Pablo Canamas
Doctorant : Pablo CANAMAS
Date : le jeudi 28 septembre 2023 à 13h00 / Amphi n°1- Centrale Méditerranée

Résumé : Le but de cette thèse est de proposer un protocole chimique pour encapsuler durablement des filtres anti-UV organiques. En effet, on veut éviter que ces molécules présentes dans les crèmes solaires puissent pénétrer la barrière cutanée des utilisateurs. Pour cela on réalise des microcapsules en polyurée en adaptant et en optimisant des techniques de synthèse préexistantes.
La première partie du travail réalisé est de définir une taille optimale pour les capsules. En effet, si elles sont trop petites (< 200 nm), les capsules risquent de pénétrer à travers les pores de la peau et si elles sont trop grosses (> 500 µm) elles peuvent gêner lors de l'étalement de la crème. Pour réaliser des microcapsules de diamètre et d'épaisseur contrôlée, deux protocoles de synthèse sont utilisés. D'une part un protocole en batch pour une forte production, et d'autre part un protocole microfluidique qui permet de former une quantité plus faible de capsules mais monodisperses.
Dans cette thèse, un nouveau monomère non toxique contenant des fonctions isocyanates est testé, le biuret HDB-LV. Sa polymérisation interfaciale avec des diamines comme l'ethylenediamine, l'hexamethylenediamine et la guanidine permet d'encapsuler de l'octyl salycilate, un filtre solaire modèle. Etant donné la faible réactivité du biuret, une étude cinétique de la réaction de polymérisation interfaciale est proposée afin d’optimiser l’industrialisation de la réaction.
Pour finir, une étude de l'étanchéité des microcapsules permet de vérifier qu'il n'y a pas de relargage d'octyl salicylate dans les milieux riches en eau (comme la majorité des crèmes solaires). Grâce à la microfluidique, des capsules sur mesure permettent de déterminer quels paramètres sont susceptibles de causer un relargage dans d’autres milieux types comme l’éthanol. 

Mots clés: Polymérisation Interfaciale, Microcapsules de polyurée, Procédé Batch, Microfluidique, Cinétique, Relargage, Filtre Solaire

Jury

Mme GUICHARDON Pierrette, Professeure, ECOLE CENTRALE DE MARSEILLE- Direction de thèse
M. DU Jiupeng, Maître de conférences, ECOLE CENTRALE MARSEILLE - Coencadrement de thèse
M. LEONETTI Marc, Directeur de recherche, Aix Marseille Université - Examinateur
Mme SCHMITT Véronique, Directrice de recherche, Université de Bordeaux 1 - Présidente
M. BREMOND Nicolas, Maître de conférences, ESPCI Paris - Rapporteur
Mme MUSCHERT Susanne, Maîtresse de conférence, Université de Lille – Rapporteuse
M. MONTAGNIER Bruno, CEO Capsudev Lab – Invité
M. HUBAUD Jean-Claude, CEO Hélioscience - Invité 
27 septembre 2023 - Methodology for modeling installation effects on helicopter engines using a physical and machine learning approach / Soutenance de thèse Alexandre Di Marco
Doctorant : Alexandre DI MARCO
Date : le mercredi 27 septembre 2023 à 14h00 / Amphi n°3 - Centrale Méditerranée

Abstract : Helicopter performance is one of the most important elements for the competitiveness of the aircraft. This performance depends mainly on the available power, which comes essentially from its engine(s). Nevertheless, their operation requires an engine architecture, including an air intake and an exhaust system (nozzle), sensitive to environmental conditions. Thus, when the engine is integrated into the helicopter, the airflow entering the engine is subject to several aerothermal and/or aerodynamic disturbances, which can have a significant impact on the final power delivered by the engine as well as its operability. The difference between the power delivered by the engine in flight and the power delivered by the engine on the test bench is defined as installation effects. Usually, installation effects are determined during dedicated flight tests once the helicopter design is already fixed. Within the last few years, the arrival of the new generation of aircraft complexifies engine integration. In order to cope with the lack of upstream installation effect data during the development cycle impacting the final installed power and to reduce the risks associated with these new architectures, it is necessary to estimate the installation effects before the first flight tests. The objective of this thesis is to provide a methodological component for the modelization of installation effects, that can be used throughout the development of a helicopter. For this purpose, two approaches were investigated, a first approach called physical which is based on the modelization of the installation effects, and a second called Statistical based approach that aims to provide an additional level of information to the physical one. The first approach proposes a method for simulating installation effects before flight tests to reduce helicopter development costs and risks. It uses the reproduction of the engine's thermodynamic cycle coupled with computational fluid dynamics in the air inlet to predict the incoming flow into the engine. The results have been validated by comparison with dedicated flight tests, showing a good representation of installation effects with an accuracy of approximately 1%. This method can be used at any flight phase but does not capture the dispersion of effects. The second approach, called statistical, complements the weaknesses of the physical approach by considering the dispersion of installation effects. Additional CFD simulations with different helicopter attitudes allowed for a sensitivity analysis, demonstrating the importance of including the aircraft attitude in the simulation of installation effects. This combined approach, along with the simulation of installation effects, captures up to 90% of flight test points. Furthermore, a simulation method for installation effects based on machine learning allows for estimating the installation effects of an untested configuration using the flight test results obtained from another configuration. This approach combines machine learning and physics, thus reducing the number of flight tests required to define installation effects when modifying the air intake configuration. The use of these methods during the development process helps reduce risks and the number of flight tests needed to determine installation effects. Moreover, their applicability to all engine architectures and air intake configurations makes them a valuable set of tools for the development of new helicopters. 

Jury

Directeur de these M. Pierre SAGAUT AMU/M2P2

Rapporteur M. Nicolas BINDER ISAE-SUPAERO

Président Mme Mitra FOULADIRAD ECM/M2P2

Examinateur M. Nicolas GOURDAIN ISAE

Examinateur M. Jean-Christophe JOUHAUD CERFACS

Rapporteur M. Eric GARNIER ONERA

5 avril 2023 - Adaptabilité spatiale HDG pour la résolution des équations de transport de fluides pour la fusion magnétique dans des configurations de tokamak réalistes / Soutenance de thèse Giacomo PIRACCINI
Doctorant : Giacomo PIRACCINI 

Date : le mercredi 5 avril 2023 à 14h00 / Amphi n°3 - Centrale Méditerranée

Résumé : Ce travail consiste à développer et à évaluer des stratégies d'adaptivité $h$ afin d'améliorer les capacités de calcul du solveur de fluide SOLEDGE3X-HDG pour simuler les plasmas de fusion de bord dans des dispositifs magnétiques tels qu'ITER.
Les expérimentations de fusion futures doivent gérer durablement des températures élevées pour permettre les réactions, et par conséquent des flux de chaleur intense sur les parois des tokamaks. Des conditions opérationnelles difficiles doivent être mises en place sur la machine afin de maintenir la combustion du plasma dans le cœur tout en assurant une répartition suffisante de la puissance sur les composants dédiés des parois, en assurant que les flux thermiques à la paroi soient compatibles avec les contraintes imposées par les matériaux du mur. Un plasma dans un tokamak constitue par sa température un environnement extrême, dans lequel les mesures sont difficiles et rares. La modélisation numérique a donc un rôle important à jouer dans l'interprétation des décharges de plasma et l'investigation de moyens d'améliorer les scénarios de plasma.

Dans ce contexte, le code SOLEDGE3X-HDG résout les équations de transport fluide en 2D dans des géométries magnétiques et de paroi de tokamak précises, en utilisant une méthode de Galerkin Discontinue Hybride (HDG). Ce formalisme, construit dans un cadre d'éléments finis d'ordre élevé, est bien adapté à la résolution des équations de conservation dans la géométrie complexe d'un tokamak. L'avancement dans le temps est effectué avec une discrétisation entièrement implicite utilisant des itérations Newton-Raphson. Un désign inadéquat du maillage peut conduire à des difficultés dans le cas où le maillage choisi est trop grossier localement, notamment près de la dernière surface de flux fermée ou sur les coins de la paroi avec des valeurs réalistes des diffusivités turbulentes, ou dans le cas où le maillage est trop raffiné, ce qui conduit à des temps de calcul inacceptables.

Cette thèse explore la possibilité d'automatiser le remaillage grâce à l'adaptivité spatiale de type \textit{h} afin de donner aux utilisateurs un accès plus fiable à des simulations localement raffinées avec des besoins moindres en mémoire et en temps de calcul. Cette investigation est réalisée à l'aide d'un modèle réduit 2D pour la densité ionique et la quantité de mouvement parallèle, qui est pertinent et représentatif du transport du plasma et de son interaction avec la paroi dans le bord d'un tokamak.  
Le maillage est optimisé de manière itérative en adaptant la taille des éléments du maillage à l'erreur locale jusqu'à ce qu'un estimateur global de l'erreur atteigne une valeur seuil. Plusieurs estimateurs sont examinés pour caractériser la distribution spatiale de l'erreur et conduire l'optimisation du maillage.
L'estimateur d'erreur basé sur la solution numérique conduit à une amélioration de la discrétisation, réduisant le nombre de degrés de liberté nécessaires tout en conservant une précision suffisante de la solution. La stratégie d'adaptation est encore améliorée par l'utilisation d'un indicateur qui identifie les éléments dans lesquels de fortes oscillations sont présentes et impose le raffinement dans ces éléments.

La stratégie finale développée repose sur une adaptation du maillage basée sur un estimateur de la norme $\mathcal{L}^2$ de l'erreur qui utilise la propriété de superconvergence de la discrétisation HDG pour limiter au minimum l'effort d'évaluation de l'estimateur. La prédiction de la taille d'élément requise localement est ensuite déterminée à l'aide d'une extrapolation de Richardson qui permet à la fois le d'agrandir les éléments ou de les raffiner. Un indicateur d'oscillation, basé sur la contribution d'ordre plus élevé à la norme locale du nombre de Mach, est utilisé simultanément pour raffiner systématiquement les éléments problématiques.
Cette stratégie est testée dans une géométrie réaliste de la section poloïdale d'un tokamak, à la fois sur des calculs statiques des équilibres de transport et sur des calculs instationnaires de la propagation de la perturbation de la densité. On observe que la stratégie d'adaptivité \textit{h} augmente la robustesse des calculs effectués par SOLEDGE3X-HDG et garantit systématiquement que le nombre d'éléments utilisés est inférieur à celui d'un maillage uniforme requis pour le même calcul.

Jury

Directeur de these     M. Eric SERRE     Aix Marseille Université / M2P2

Rapporteur     M. Fabrice DELUZET     Institut de mathématique de toulouse

Rapporteur     M. Boniface NKONGA     Université de Nice Sophia-Antipolis

Examinateur     Mme Francesca RAPETTI     Université Cote d'Azur

Président     M. Michel MEHRENBERGER     Aix-Marseille Université

Co-Directeur de these     M. Frédéric SCHWANDER     Centrale Méditerranée

3 avril 2023 - Modélisation stationnaire et instationnaire des écoulements turbulents / Soutenance HDR Christophe Friess
Date et lieu : le lundi 3 avril à 14h00 / amphi n°1 Centrale Méditerranée

Résumé : Christophe Friess présentera une partie de ses travaux effectués ou (co-)dirigés depuis l'obtention de son doctorat, au travers de diverses collaborations. Après une rapide synthèse globale sur ses activités pédagogiques et scientifiques, il abordera la thématique de la modélisation de la turbulence, essentiellement en représentation instationnaire à faible coût de calcul (dite "hybride RANS/LES" [*] ) que stationnaire (appelée "RANS" [*]). Les perspectives dégagées par ces travaux seront ensuite présentées, ainsi qu'une liste non exhaustive de thèmes auxquels l'enseignant-chercheur s'intéressera à moyen ou long terme.
[*] RANS = Reynolds-Averaged Navier-Stokes (Navier-Stokes en moyenne de Reynolds)
[*] LES = Large-Eddy Simulation (simulation des grandes échelles)

Jury :
RAPPORTEURS
Paola CINNELLA, professeur à Sorbonne Université / Institut d'Alembert, Paris
Suad JAKIRLIC, professeur à la Technische Universität Darmstadt (Allemagne)
Michel VISONNEAU, directeur de recherche CNRS, LHEEA, Nantes

EXAMINATEURS
Eric SERRE, directeur de recherche CNRS, M2P2, Marseille (président)
Rémi MANCEAU, directeur de recherche CNRS, LMAP, Pau
Stéphane VIAZZO, maître de conférences HDR à Aix-Marseille Université / M2P2 (tuteur)
10 mars 2023 - Modélisation des écoulements induits par le feu à l'aide des méthodes de Lattice Boltzmann / Soutenance de thèse Mostafa Taha
Doctorant : Mostafa TAHA

Date : le 10 mars 2023 à 14h00 / Amphi 3 ; Centrale Marseille - Plot 6

Résumé : En raison de leur coût de calcul attractif, leurs capacités pour le calcul massivement parallèle, et la facilité à traiter des géométries complexes en utilisant des maillages cartésiens à plusieurs niveaux, les méthodes de Boltzmann sur réseau (LBM) ont connu un intérêt accru dans les domaines universitaire et industriel lors de la dernière décennie. Dans ce travail de doctorat, et pour la première fois, une méthode de Boltzmann sur réseau hybride à base de pression est développée pour simuler des écoulements contrôlés par les forces de flottabilité caractéristiques des incendies avec haute fidélité. Les formulations compressibles et à faible nombre de Mach sont considérées et sont couplées avec des modèles de turbulence et de combustion à l'état de l'art afin de prédire correctement le comportement instationnaire et les caractéristiques de ces écoulements. La cohérence, la mise en œuvre et la robustesse de la LBM proposée sont vérifiées par des cas test canoniques 1-D et 2-D, impliquant la colonne de pression 1-D et les instabilités 2-D de Rayleigh-Bénard et Rayleigh-Taylor. Le modèle LBM est ensuite appliqué à la simulation aux grands échelles (LES) des champs proche et lointain de panaches contrôlés par les forces de flottabilité, chacune de ces régions étant caractérisée par sa propre dynamique. La LES de la région de type panache (c.-à-d. champ lointain) montre la capacité du modèle à reproduire le comportement caractéristique de la région de champ lointain d’un panache forcé. Les profils axiaux et radiaux de vitesse et de température concordent bien avec les données expérimentales, théoriques et numériques. La simulation d'un panache d’hélium de grande taille est ensuite effectuée pour évaluer la capacité du modèle à reproduire la dynamique de la région en champ proche.  Différents modèles de turbulence de sous-maille sont comparés dans ces simulations et il a été constaté, comme dans les études précédentes, que les résultats sont plus sensibles à la résolution spatiale qu’au modèle de turbulence. Il est essentiel d’avoir un maillage bien résolu à la base du panache pour saisir la formation d’instabilités entraînées par la flottabilité qui se développent pour générer des structures turbulentes et régir la dynamique du panache. Le mécanisme de "puffing" a été correctement prédit et les profils axiaux et radiaux de la vitesse et de la fraction massique d’hélium correspondaient aux données expérimentales et aux simulations numériques antérieures fondées sur le solveur classique de l’équation de Navier-Stokes. Enfin, une simulation aux grandes échelles d’un feu de méthane à grande échelle purement contrôlé par les forces flottabilité a été réalisées en utilisant le modèle EDC comme modèle de combustion et un modèle simplifié de rayonnement utilisant la fraction rayonnée. Le solveur a pu prédire correctement la dynamique du feu. Ces cas de test ont montré que le modèle LBM développé est entièrement capable de simuler avec fidélité les écoulements associés à des applications incendie et ce à un coût de calcul inférieur aux solveurs classiques des équations de Navier-Stokes.

Jury : 
Encadrement
Pierre Boivin (M2P2): Directeur de la thèse
Aymeric Lamorlette (IUSTI): Co-Directeur de thèse
Jean-louis Consalvi (IUSTI): Co-Encadrant de thèse

Membres de jury
Arnaud Trouvé (University of Maryland, USA): Rapporteur
Bénédicte Cuenot (CERFACS, France): Rapporteure
Bart Merci (Ghent University, Belgium): Examinateur
Lucie Merlier (INSA Lyon, France): Examinatrice
Olivier Vauquelin (Aix-Marseille Université, France): Examinateur (Président)
30 janvier - Filière intensifiée de traitement d’effluents industriels : étude du couplage de procédés membranaires et d’oxydation en voie humide / Soutenance de thèse Emilie GOUT
Doctorante : Emilie GOUT

Date : lundi 30 janvier à 10h00 dans l’amphithéâtre du CEREGE (Technopôle Environnement Arbois - Méditerranée)

Résumé : Les procédés membranaires sont reconnus dans l’industrie pour réduire les volumes d’effluents et générer un perméat de très bonne qualité. Les concentrats générés, hautement concentrés en polluants organiques, pourraient être traités par oxydation en voie humide (OVH). La filière de traitement couplant procédés membranaires à l’échelle industrielle et OVH à l’échelle laboratoire est développée et étudiée dans cette thèse pour traiter six effluents stratégiques et envisager un rejet vers l’environnement. Quatre conditions opératoires pour l’OVH issues d’une campagne préliminaire utilisant un plan d’expériences sur les concentrats de lixiviats ont été utilisées pour cribler les performances de l’OVH sur les autres effluents. Le suivi des performances par analyse du COT, de la DCO et de la fluorimétrie s’est montré complémentaire car différents comportements entre les effluents ont été mis en évidence. Les meilleurs abattements (jusqu’à 98 et 99 % pour le COT et la DCO respectivement) sont généralement obtenus à la plus grande température, indépendamment de la pression totale, avec de plus grandes quantités dégradées pour les effluents à forte DCO. De plus, la période de chauffe avant l’injection de l’oxydant impacte cet abattement de la matière organique en fonction des effluents. Des hypothèses sur la dégradation de la matière organique lors de l’OVH ont pu être proposées par fluorimétrie. La filière de traitement couplant les procédés membranaires et l’OVH présente un fort potentiel car il a été montré qu’un rejet vers l’environnement est possible pour la plupart des effluents étudiés.

Jury
Caroline ANDRIANTSIFERANA         Rapporteuse
Maître de Conférences – Université Toulouse III
Catherine CHARCOSSET        Présidente du jury
Directrice de Recherches – Université Lyon 1
Sylvain DURÉCU         Examinateur
Docteur – Séché Environnement
Marc HÉRAN Rapporteur
Professeur des Universités – Université de Montpellier
Mathias MONNOT     Co-directeur de thèse
Maître de Conférences – Aix Marseille Université
Philippe MOULIN       Directeur de thèse
Professeur des Universités – Aix Marseille Université
Pierre VANLOOT        Invité
Maître de Conférences – Aix Marseille Université
16 janvier - Développement de la méthode de Lattice Boltzmann pour la simulation de l'aérodynamique interne des moteurs électriques / Soutenance de thèse Stéphane CAPITAINE-VAILLANT
Doctorant : Stéphane CAPITAINE-VAILLANT

Date : lundi 16 janvier à 13h30 ; Amphi 3 / Centrale Marseille

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. 

Jury
Directeur de these M. Pierre SAGAUT Aix Marseille Université
Rapporteur M. Nicolas GOURDAIN ISAE-Supaero
Rapporteur M. Adrien TOUTANT Université de Perpignan
Examinateur Mme Lucie MERLIER Université Claude Bernard Lyon 1
Examinateur M. Nicolas GOURDAIN Université de Toulouse
Examinateur M. Julien FAVIER Aix Marseille Université
Co-encadrant de these M. Julien BOHBOT IFPEN

13 janvier - Forçage volumique basé sur une méthode de type reconstruction pour un modèle de fermeture algébrique hybride RANS/LES / Soutenance de thèse Jérémie JANIN
Doctorant : Jérémie JANIN

Date : le vendredi 13 janvier à 14h - amphi 2 Centrale Marseille

Résumé : La prédiction des écoulements turbulents présente un intérêt majeur dans de nombreuses situations, y compris pour les études de sécurité nucléaire. Pour en améliorer la prédiction, ce travail s’intéresse aux approches hybrides RANS/LES, combinant faible coût des simulations RANS et capacité prédictive de la LES. Pour un traitement efficace de la transition RANS/LES, une nouvelle méthode de forçage est proposée. Cette méthode enrichit la turbulence résolue, via de nouveaux termes dans les équations du mouvement filtré. Une vitesse synthétique est construite via superposition de modes de Fourier aléatoires. Elle est paramétrable pour respecter divers critères cibles. Une attention particulière est portée sur la conservation de l’énergie cinétique turbulente totale. La méthode est testée avec succès sur l’entretien
d’une turbulence homogène isotrope. Les potentialités de la méthode hybride avec forçage sont illustrées dans le cas du jet plan ainsi que l’écoulement au sein du local ventilé CARDAMOMETTE.

Jury
  • Lars Davidson (Rapporteur)
  • Rémi Manceau (Rapporteur)
  • Paola Cinnella (Présidente du Jury)
  • Benoït de Laage de Meux (Examinateur)
  • Fabien Duval (Encadrant)
  • Christophe Friess (Encadrant)
  • Pierre Sagaut (Directeur de thèse)
4 janvier - Étude numérique et expérimentale d’un jet de plasma intensifié / Soutenance de thèse Nicolas GODINAUD
Doctorant : Nicolas GODINAUD

Date : le mercredi 4 janvier 2023 à 14h dans l’amphithéâtre 3 de Centrale Marseille

Résumé : Ce travail est axé sur la découpe par torche au plasma. Ce procédé industriel permet de couper des plaques de métaux au moyen d’un arc électrique qui est transféré sur les pièces à séparer. Par le gaz injecté à fort débit, ces torches de découpe produisent des jets de plasma supersoniques sous-détendus qui atteignent des températures pouvant dépasser 30 kK. Les zones des pièces métalliques impactées par ces jets chauds entrent ainsi en fusion et les forces inertielles importantes conduisent à l’expulsion du métal liquide vers l’extérieur des pièces, créant alors des saignées de découpe. Les pressions de gaz injectées dans les torches de découpe plasma récentes étant de plus en plus élevées (jusqu’à plus de 10 atmosphères), il est important de caractériser au mieux les effets liés à l’aspect supersonique et aux ondes de choc sur les jets de découpe.

Dans le cadre de cette étude des jets de plasmas supersoniques, un nouveau solveur numérique permettant de capturer les ondes de choc avec précision est présenté. Le solveur développé est basé sur un schéma volumes finis de type Godunov, adapté à la simulation d’écoulements supersoniques. Les résultats numériques ainsi obtenus sont comparés à ceux déterminés à partir des solveurs présentés dans la littérature pour la modélisation des plasmas de découpe. Ces comparaisons sont d’abord un moyen de validation de l’outil développé, mais elles mettent également en avant une bien meilleure capacité du nouveau solveur à capturer les ondes de chocs présentes dans les jets de découpe pour des nombres de Mach élevés. Des mesures expérimentales sur une torche plasma ont également été effectuées au cours de ce travail. Celle-ci sont comparées aux résultats de simulations réalisées avec le nouveau solveur sur une configuration torche similaire. Outre l’apport de nouveaux éléments de validation du solveur, ces comparaisons entre résultats numériques et expérimentaux permettent aussi de mieux décrire la structure de l’écoulement à l’intérieur de la torche plasma.

Mots clés : Découpe plasma, Simulation numérique, Jets supersoniques, Solveurs de Riemann, Mesures expérimentales.

Jury
  •          Bénédicte CUENOT – Rapporteur
  •          Laurent FULCHERI – Rapporteur
  •          Stéphane PELLERIN – Examinateur
  •          Arnaud MURA – Examinateur
  •          Pierre BOIVIN – Directeur de thèse
  •          Pierre FRETON – Co-directeur de thèse
  •          Jean-Jacques GONZALEZ – Co-encadrant de thèse
  •          Frédéric CAMY-PEYRET – Invité               


    • 13 décembre - Développement d’une unité hybride couplant la désulfuration des gaz d’échappement et le traitement des effluents aqueux pour la marine marchande / Soutenance de thèse Maryse DROUIN
    Doctorante : Maryse DROUIN

    Date : Mardi 13 décembre à 9h45 dans l’amphithéâtre du CEREGE (Technopole Environnement Arbois - Méditerranée)

    Résumé : Suite à la réduction des émissions de composés soufrés en pleine mer de 85 %, des unités de traitement de gaz d’échappement hybrides ont été installées sur les navires de commerce. Ces unités combinent le traitement du gaz par absorption et l’épuration des effluents liquides par filtration membranaire. La mise en place de ces procédés embarqués est récente (2020) et les contraintes d’opérabilités sont nombreuses notamment en ce qui concerne le fonctionnement des unités membranaires. Dans ce contexte, la thèse a pour principaux objectifs : (i) d’étudier le transfert de matière au travers des membranes (ii) d’optimiser les conditions opératoires et la gestion des procédés afin de (iii) fiabiliser le couplage des procédés en vue d’une utilisation continue. Pour cela, une caractérisation des différentes qualités d’eau à traiter obtenue après le lavage des gaz d’échappement a été réalisée. Puis le comportement et les performances des membranes multitubulaires, en carbure de silicium (SiC) et en oxyde de zircone (ZrO2), ont été étudiés à l’échelle semi-industrielle pour la filtration d’effluents réels. Les résultats obtenus ont permis pour chaque membrane de préconiser des paramètres de fonctionnement stable et de simplifier la gestion des unités embarquées. Les paramètres recommandés pour les membranes SiC, ont été validés en conditions réelles sur l’un des navires au cours de la navigation. Lors de cette étude, les résultats ont également mis en avant mettant une robustesse et une flexibilité de l’unité membranaire vis-à-vis du procédé global de désulfuration. Le traitement des eaux permet une navigation plus respectueuse de l’environnement avec la production d’un perméat exempt de matières en suspension et moins concentré en ions métalliques et en hydrocarbures. De plus, les paramètres préconisés ont permis une réduction de 70 % du volume de concentrat, dont le stockage est aujourd’hui la principale limitation à l’utilisation continue des unités en Closed Loop.

    Jury

    		Claire FARGUES / Rapporteur  / Maitre de conférences : Université Paris Saclay
    Julie MENDRET / Rapporteur / Maitre de conférences : Université de Montpellier
    Emilie CARRETIER / Examinateur / Professeur des Universités : Aix Marseille Université
    Rémy GHIDOSSI  / Président du jury / Professeur des Universités : Université de Bordeaux
    Philippe MOULIN / Directeur de thèse / Professeur des Universités : Aix Marseille Université
    Samy NASSER / Invité / Senior Manager : CMAships pour le groupe CMA CGM 
    1er décembre - Méthode de Boltzmann sur réseaux hybride: application aux écoulements compressibles complexes / Soutenance de thèse Thomas CORATGER
    Doctorant : Thomas CORATGER

    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.

    Jury
    Directeur de these M. Pierre SAGAUT Aix Marseille Université
    CoDirecteur de these M. Pierre BOIVIN M2P2
    Rapporteur M. Aziz HAMDOUNI La Rochelle Université
    Rapporteur M. Florian DE VUYST UT Compiègne
    Examinateur Mme Maria VITTORIA SALVETTI Università di Pisa
    Examinateur M. Sébastien DECK ONERA, Meudon
    Examinateur M. Lionel LARCHEVêQUE Aix-Marseille Université
    Président M. Eric LAMBALLAIS Université de Poitiers
    29 novembre - Sur le procédé de fractionnement par CO2 supercritique en colonne garnie à contre-courant : étude fondamentale et appliquée / Soutenance de thèse Aymeric FABIEN
    Doctorant : Aymeric FABIEN

    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. 

    Jury

    Directeur de these Mme Christelle CRAMPON Aix-Marseille Universtié
    Rapporteur Mme Selma GUIGARD University of Alberta (Canada)
    Rapporteur Mme Christine DALMAZZONE IFP Energies nouvelles
    Examinateur M. Sylvain FAURE CEA
    Examinateur M. Vincent PERRUT Atelier Fluides Supercritiques
    Examinateur Mme Séverine CAMY ENSIACET (INP Toulouse)
    CoDirecteur de these Mme Elisabeth BADENS Aix-Marseille Université

    28 novembre - Sustainable biorefinery schemes for the recovery of energy, material and nutrient of residual biomass / Soutenance de thèse Monica AMADO
    Doctorant : Monica AMADO 

    Date : lundi 28 novembre à 9h30 dans La salle 205 du CEREGE / Arbois

    Abstract : Agricultural activities are a constant source of residual biomass that does not usually have an added value during harvesting activities or throughout the raw material transformation industry, impacting the environmental surroundings where these activities take place. The residual biomass coming from the livestock sector (manure) and the agricultural sector (transient and permanent crops) has a high pollutant load related to biodegradable organic matter.  
    The problem of the project focuses on Colombian economic changes that have encouraged the use of biofuels as an alternative to reduce dependence on the fossil fuel industry. By presenting the biological processes of anaerobic co-digestion (AD) or dark fermentation (DF) as an alternative for the waste valorization of three relevant agricultural waste from the Colombian (coffee mucilage, cocoa mucilage and swine manure) due to its production increase and their high content of carbohydrates, proteins, and cellulose. 
    Bioprocesses are limited by efficient and optimal design. Therefore, the results present three biorefinery schemes modeled in Aspen Plus, for the recovery of products and by-product. Furthermore, through energy, by using Aspen Energy Analyzer and life cycle assessments (LCA - SimaPro), the project presents the sustainability and efficiency for the proposed schemes.  
    The project aims an advance in the subject given that the first works in the country have been conceptual approaches to develop the biorefinery concept. 
      
    Jury

    • Pierre BUFFIERE – Rapporteur - Professeur, INSA de Lyon, France 
    • Ludovic MONTASTRUC – Rapporteur - Professeur, INP Toulouse, France 
    • Paola ACEVEDO – Examinatrice - Maître de conférences, Université Coopérative de Colombie, Colombie 
    • Ivan CABEZA – Examinateur - Professeur, Université La Salle, Colombie 
    • Hélène CARRERE – Présidente de jury - Directrice de recherche INRAE, France 
    • Jean-Henry FERRASSE - Directeur·de these - Professeur, Aix-Marseille Université, France 
    • Cristian BARCA - Co-directeur·de these - Maître de conférences, Aix-Marseille Université, France 



    25 novembre - Characterization of magma flows through debris during an accidental transient / PhD defense Juliana GARCIA SARMIENTO
    Doctorante : Juliana GARCIA SARMIENTO

    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. 

    Jury
    Directeur de these M. Pierre SAGAUT Aix Marseille Université
    Rapporteur M. Florian DE VUYST Université de Technologie de Compiègne
    Rapporteur M. Romain LE TELLIER CEA Cadarache
    Examinateur Mme Lucie MERLIER INSA Lyon
    Examinateur Mme Pascale AUSSILLOUS Aix-Marseille Université
    7 novembre 2022 - Novel and efficient algorithms for the numerical simulation ofimmersed moving and deforming structures in realistic industrial conditions in aeronautics using lattice Boltzmann method / PhD defense Heesik YOO
    Doctorant : Heesik YOO

    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. 

    Jury :
    Directeur de these M. Julien FAVIER Aix Marseille Université
    Rapporteur M. Mathias KRAUSE Karlsruhe Institute of Technology (KIT)
    Rapporteur M. Emmanuel LéVêQUE LMFA Ecole Centrale Lyon
    Président Mme Berengere PODVIN EM2C Centrale Superlec
    Examinateur M. Martin GEIER TU-Braunschweig
    CoDirecteur de these M. Pierre SAGAUT Aix Marseille Université
    17 octobre 2022 - Optimisation du désencombrement bronchique par ondes de pression à l'aide d'un environnement prédictif de simulation numérique / soutenance de thèse Antoine GALKO
    Doctorant : Antoine GALKO

    Date : Lundi 17 Octobre 2022 à 14:00 ; amphi 3, Centrale Marseille

    Résumé : Les maladies pulmonaires touchent de plus en plus de personnes à travers le monde. Les maladies les plus nombreuses sont la BPCO, l'asthme et la mucovisidose. Les patients souffrant de ces maladies présentent souvent des dysfonctionnements au niveau de la clairance mucociliaire. Cette clairance permet normalement d'évacuer le mucus vicié de l'arbre bronchique. Lorsqu'il y a un dysfonctionnement, le mucus augmente en quantité et il devient le plus souvent très visqueux et collant ce qui le rend difficile à évacuer. Cela entraîne donc une augmentation du risque d'infection des poumons. Pour limiter et faciliter la vie des patients, des appareils d'aide au désencombrement bronchique sont développés comme le SIMEOX® mis au point par l'entreprise Physio-Assist. Cet appareil utilise des dépressions périodiques pour liquéfier le mucus afin de faciliter son expectoration. C'est dans ce contexte que cette thèse est menée. Pour comprendre l'impact de ce type d'appareil sur le désencombrement bronchique et plus particulièrement sur la rhéologie du mucus, une étude numérique, utilisant une méthode de lattice-Boltzmann couplée avec des frontières immergées est réalisée. L'impact d'un forçage en pression sur un fluide non-newtonien de type Herschel-Bulkley est alors étudié. Dans un premier temps, nous considérons un fluide non-newtonien, modélisé par une loi de type Herchel-Bulkley, transporté par un forçage en pression dans un canal 2D à parois fixes. Nous observons que la rhéologie du mucus et le type de signal gouvernent une physique riche qui conditionner le transport du fluide. Dans un second temps, nous analysons les mêmes conditions de forçage et de fluide, mais dans un canal dont les parois sont mobiles et peuvent se déplacer en fonction des dépressions internes au canal en fonction d'un paramètre qualifiant la facilité de déplacement de paroi. On montre que les conditions d'écoulement ainsi que le débit de fluide transporté sont fortement influencés par les paramètres de flexibilité des parois. 

    Jury :
    Directeur de these M. Julien FAVIER Aix Marseille Université / M2P2
    Rapporteur M. Benoit HAUT Université libre de Bruxelles
    Rapporteur M. Benjamin MAUROY Laboratoire J.A. Dieudonné, Université de Nice Sophia-Antipolis
    Examinateur Mme Annie VIALLAT Aix Marseille Université / CINAM
    Examinateur M. Simon MENDEZ Université de Montpellier / IMAG
    CoDirecteur de these M. Umberto D'ORTONA Aix Marseille Université / M2P2
    Membre invité    M. Adrien Mithalal    entreprise Physio Asist
    5 octobre 2022 - Improvement of heat and mass transfer predictions at solid walls in Lattice Boltzmann simulations of thermal flows / PhD defense GUANXIONG WANG
    Doctorant :  Guanxiong WANG 

    Date : Mercredi 5 Octobre 2022 à 14:00 / Amphi 3, Centrale Marseille

    Abstract : This work is a part of the project ALBUMS (Advanced Lattice-Boltzmann Understandings for Multi-physics Simulations) which aims at promoting the Lattice Boltzmann method (LBM) to full scale realistic industrial applications. Originally designed as a weakly compressible solver, many attempts have been made during the last three decades to remove the scientific locks of major importance for the use of LBM.However, the solid wall modeling with the presence of turbulent boundary layer and the prediction of heat dominated flow still challenge its applications especially at high Reynolds number with large temperature differences. The purpose of this manuscript is to improve the LBM's robustness, accuracy and efficiency in the solid wall modeling as well as to extend its ability on predicting heat transfers in the limit of low-Mach number which constitute two main axes of this thesis. The solid wall modeling and mass leakage issues are firstly investigated.The cut-cell immersed boundary (IBM) method based on regularized boundary condition is adopted because of its outstanding advantages such as robust, easy to implement, suited to deal with complex geometries etc. All of these properties are required in engineering configurations.This boundary condition is evaluated using a classical weakly compressible LB method in an isothermal regime while the pressure-based LB method is employed to address thermal regimes. It's observed that significant mass leakage may occur at solid walls which degrades the accuracy of the solutions and the reliability of the simulations.In order to circumvent this problem, a spatial-temporal relaxation mass correction scheme is adopted for the simulation of isothermal turbulent flows. For non-isothermal flows however, there may still be significant mass leakage, and the redefined zero-order moments of the distribution function of pressure-based LB method complicates the analysis of the mass leakage issue. To solve this, a mass correction scheme is then proposed based on the compressible LB method and applied to the classical natural convection scenario.Furthermore, an advanced near wall modeling via a blending RANS/LES approach is proposed in the framework of LBM to simulate high Reynolds number turbulent flows. Regarding the prediction of heat dominated flows, which was one of the main task of this work, the pressure-based LB method suffers from the time restriction issue for low-Mach thermal flows which makes the simulations inefficient.For this reason, a new hybrid thermal LB solver based on the well-known low-Mach number approximation (LMNA) is proposed and validated on various thermal flow configurations. At least a 10 times speed-up is achieved while keeping high accuracy compared to the reference according to this study. 

    Jury :
    Rapporteur M. Frédéric KUZNIK INSA LYON / CETHIL
    Rapporteur M. Adrien TOUTANT Université de Perpignan / PROMES
    Examinateur M. Nicolas GOURDAIN Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées / ISAE-Supaero
    Examinateur Mme Virginie DARU ENSAM Paris
    Directeur de these M. Eric SERRE AMU / CNRS M2P2
    CoDirecteur de these M. Pierre SAGAUT AMU / CNRS M2P2
    22 Juin 2022 - Simulation numérique d'interaction fluide structure : application à la propulsion / Soutenance de thèse de Jérémie LABASSE
    Doctorant : Jérémie LABASSE

    Date : 22 juin 2022 à 14h00,   Centrale Marseille 38 Rue Frédéric Joliot Curie ; 13013 Marseille ; Amphi 3 

    Résumé : Dans le contexte de la modélisation de la propulsion bio-inspirée, le tangage et le pilonnement sont souvent considérés comme des archétypes des mouvements observés et un des objectifs des recherches dans ce domaine est d'établir des lois de propulsion, ce travail de thèse s'insérant dans cette thématique. Dans cet objectif, tout d'abord une plaque d'épaisseur négligeable en mouvement de tangage dans un écoulement uniforme est considérée. Ce système fluide-structure est abordé numériquement utilisant l'environnement numérique OpenFOAM. Cette boîte à outils permet de gérer le mouvement de la plaque, le déplacement du maillage associé étant obtenu comme solution d'une équation de Laplace avec une variable de diffusivité. Les résultats des simulations numériques et notamment les efforts générés par l'interaction fluide-structure sont validés par comparaison avec des données existantes, pour un nombre de Reynolds de 2000 et en faisant varier les paramètres du tangage. Une loi de propulsion est proposée et confrontée à des lois existantes dans la littérature. Dans un deuxième temps un objet profilé (un profil NACA0018) en mouvement de pilonnement simple puis en mouvement couplé tangage-pilonnement est étudié. Pour ces mouvements à grandes amplitudes une superposition de maillage est utilisée lors de la résolution numérique, cette approche étant connue sous le nom de la méthode Chimera. À partir des données des simulations, pour un nombre de Reynolds de 5 10^4 et pour une grande gamme de paramètres, des lois de propulsions sont proposées pour le pilonnement simple ainsi que pour le couplage tangage-pilonnement. Enfin un dispositif de propulsion cycloïdale développé par l'Institut de Recherche de l'Ecole Navale (IRENav) consistant en trois pales en mouvement de rotation-tangage est abordé numériquement, pour des gammes de paramètres identiques aux expériences, mettant en oeuvre la méthode de superposition de maillage pour les trois objets en mouvement. Les simulations des efforts générés dans cette configuration s'avèrent très proches des données expérimentales obtenues à l'IRENav. Aussi, il est montré que la loi proposée pour des mouvements de tangage-pilonnement reste pertinente pour prédire les efforts développés par le dispositif. 

    Jury :
    Directeur de these M. Uwe EHRENSTEIN Aix Marseille Université / M2P2
    Rapporteur Mme Annie-Claude BAYEUL-LAINÉ Arts et Métiers / LMFL
    Rapporteur M. Sylvain GUILLOU Université de Caen Normandie
    Examinateur Mme Annie LEROY Ecole de l'Air et de l'Espace
    Président M. Jacques-André ASTOLFI École Navale Brest
    14 Juin 2022 - Développement et optimisation de deux procédés supercritiques d'élaboration de nanoliposomes pour l'encapsulation de siARN / Soutenance de thèse de Mathieu MARTINO
    Doctorant : Mathieu MARTINO

    Date : mardi 14 juin 2022 à 14h00,  Technopôle de l'Arbois, Avenue Louis Philibert ; Amphithéâtre du Cerege 

    Résumé : L'un des principaux objectifs en thérapie est de trouver un excipient permettant une protection des molécules thérapeutiques lors de leurs administrations. L'ensemble de ces enjeux ont conduit à l'émergence de nouvelles techniques d'élaboration de système de délivrance de médicaments limitant l'utilisation de solvants organiques. Ainsi, plusieurs procédés utilisant des fluides supercritiques ont été développés. La formulation de médicaments à l'aide de procédé utilisant des fluides supercritiques, notamment le dioxyde de carbone supercritique (CO2-SC), présente plusieurs avantages, comme la réduction de la quantité de solvant organique nécessaire.En parallèle, de nombreuses études ont été réalisées sur l'utilisation des liposomes comme vecteurs d'encapsulation. Les liposomes sont des vésicules biodégradables composées de phospholipides, avec des structures proches des membranes cellulaires avec lesquelles ils peuvent fusionner pour délivrer le médicament encapsulé. Cette fusion liposome/cellule permet l'administration de médicaments. Par conséquent, les liposomes se comportent comme des agents protecteurs pour les substances actives pharmaceutiques encapsulées une fois administrées empêchant la dégradation enzymatique et l'élimination du médicament par le système immunitaire. Néanmoins, une limitation pour leur utilisation comme vecteurs de médicaments pour la thérapie génique est leur taille. En effet, la taille des particules est une caractéristique clé pour l'internalisation cellulaire d'une vésicule/particule. Une particule d'une taille allant jusqu'à 5 microns peut subir une internalisation cellulaire, mais le processus est plus rapide pour les particules d'une taille inférieure à 150 nm. Il y a donc un réel intérêt à former des liposomes ou nanoliposomes de taille submicronique afin d'améliorer l'internalisation cellulaire et limiter la dégradation. Dans ce contexte, plusieurs études ont été menées sur l'encapsulation de médicaments dans des liposomes et sur l'utilisation de procédés supercritiques. Par conséquent, les avantages combinés de l'encapsulation par liposomes et des procédés à fluide supercritique ont permis le développement de petites vésicules biomimétiques et biodégradables pour l'encapsulation de médicaments en utilisant un procédé écologique. L'objectif de ces travaux de thèse est de mettre au point deux procédés d’élaboration de nanoliposome en milieu supercritique en vue de l'encapsulation de siARN pour le traitement de la progéria. Le premier procédé développé est un procédé batch avec dépressurisation à pression constante. Ce procédé permet de former des liposomes avec des diamètres inférieur à 150 nm. L'efficacité d'encapsulation des liposomes formés à partir du procédé batch à été évaluée avec une molécule test : la lutéine. Des efficacités d’encapsulation allant jusqu'à 91,9 % ont été observées. Le second procédé développé est un procédé milli-fluidique en continu. Ce procédé présente l'avantage d'avoir une taille plus compacte et de formuler de faible quantité de suspensions liposomales (nécessaire pour l'élaboration de formulation liposome/ARN). Tout comme le procédé batch, ce procédé milli-fluidique permet d'élaborer des liposomes de taille inférieur à 150 nm. Un étude d'optimisation sur les conditions opératoires a été menées sur les deux procédés afin d’évaluer l'influence de la pression, de la température et de la concentration en phospholipides dans la solution d'alimentation sur les propriétés des liposomes formés. Cette étude montre que le paramètre clé pour le contrôle des propriétés des liposomes est la concentration en phospholipides. Enfin, des formulations liposomes/siARN ont été élaborées avec le procédé milli-fluidique. Les siARN encapsulés sont des ARN utilisés dans le traitement de la progéria. Des essais en cultures cellulaires ont montré une diminution de la lamine (but recherché) lors de l'utilisation des suspensions liposomales formés par le procédé milli-fluidique développé. 

    Jury
    CoDirecteur de these Mme Elisabeth BADENS Aix Marseille Université
    CoDirecteur de these M. Adil MOUAHID Aix Marseille Université
    Rapporteur Mme Raphaëlle SAVOIRE IPB / ENSCBP CBMN UMR5248 (CNRS/IPB/Université de Bordeaux) Equipe Clip’in
    Rapporteur Mme Nora VENTOSA Institut de ciencia de materials de barcelona ICMAB CSIC- NANOMOL-CIBER-BBN
    Examinateur M. Joseph CICCOLINI COMPO: COMputational Pharmacology in Oncology SMARTc : Simulation & Modelling: Adaptive Response for Therapeutics in Cancer Center for Research on Cancer of Marseille (CRCM): UMR Inserm 1068, CNRS UMR 7258, Aix Marseille Université U105, Institut Paoli Calmettes Inria Centre de Recherche Sophia Méditerranée & APHM Laboratoire de Pharmacocinétique, Faculté de Pharmacie,
    Examinateur Mme Géraldine PIEL Laboratoire de Technologie Pharmaceutique & Biopharmacie (LTPB) Centre Interdisciplinaire de Recherche sur le Médicament (CIRM) Université de Liège
    15 Mars 2022 - Influence of Radiative Effects on Buoyancy-induced Flows in High-pressure Compressor Inter-disk Cavities / PhD defense Ahmed HODAIB
    Doctorant : Ahmed HODAIB 

    Date de soutenance : le 15 mars 2022 à 15h00 ; Amphi 3 Centrale Marseille

    Abstract  : In aircraft engines, a secondary air flow is obtained from an intermediate compressor stage, to be used to cool the turbine disks. This flow passes through the high-pressure compressor inter-disk cavities (Farthing et al., ASME J. Turbomach., 1992). A better understanding of this complex buoyancy-induced flow is essential to determine the thermal stresses, the radial growth of the blades, due to thermal expansion, and the temperature rise of the air used for cooling. Besides, to be able to determine the optimum clearance between the rotating blades and the surrounding casing, in order to improve the engine performance. This convective flow is not only unsteady and three-dimensional, it is unstable. Due to high temperature differences, the flow and heat transfer give rise to a strongly conjugate problem: the flow is affected by the temperature of the disks, and vice versa (Owen & Long, ASME J. Turbomach., 2015). The compressible Navier-Stokes equations, coupled with the energy equation and perfect gas law, are solved in the framework of the Low Mach Number (LMN) approximation, allowing a reduction of computational costs by filtering the high-speed waves while keeping a good accuracy by considering the compressibility effects (Motheau & Abraham, J. Comput. Phys., 2016). A fourth-order compact spatial discretisation scheme combined with parallelised Fourier method is implemented on a staggered grid. A second-order semi-implicit scheme is introduced for time integration. A two-step algorithm is developed for the solution of the LMN equations. In a first step, the thermodynamic variables are calculated through an iterative process, and used to compute the velocity divergence. In a second step, the variable density continuity and momentum equations are solved using a projection-type method. A parallelized iterative domain decomposition technique is implemented for the simulation of the three-dimensional flow and heat transfer in a T-shape model cavity. The parallelisation of the resulting computational code is performed through a hybrid MPI/OpenMP approach. Spatial and temporal accuracies of the proposed algorithm are checked on a manufactured solution in a simplified configuration. Then, the algorithm is applied to study the flow and heat transfer in an idealised compressor inter-disk cavity, while considering conduction inside the walls, to allow for a more accurate thermal balance. The results are compared with data available in the literature based on local Nusselt numbers. A parametric study is done for a range of the two main parameters governing the flow, according to Farthing et al. (ASME J. Turbomach., vol. 114, pp. 229-236 and pp. 237-246, 1992): the temperature difference and the Rossby number. To include surface radiation exchanges, the discrete radiative heat transfer equation is solved based on the zonal method. The adequacy of the proposed Low Mach number approach is shown, compared to Boussinesq approximation. Moreover, the validity of neglecting the gravitational acceleration with respect to the centrifugal acceleration in the equations is discussed. Then, the definition of an effective Rayleigh number is established, where both centrifugal and gravitational accelerations are taken into account in the buoyancy terms. The results reveal that the flow exhibits a Poiseuille-Rayleigh-Bénard-like instability, and that this effective Rayleigh number governs the flow structure and the heat transfer in the whole cavity, and hence the stability of the flow. In the end, it is shown that radiative exchanges become more significant the more we get closer to the inner radius of the cavity, in agreement with the results reported by Tang & Owen (ASME J. Turbomach., 2021). It is observed that the temperature profiles at the upstream and downstream disks approach each other, when radiation is considered, where the upstream disk temperatures increase. 

    Jury
    Directeur de these M. Anthony RANDRIAMAMPIANINA Aix Marseille Université 
    Rapporteur M. Gary D. LOCK University of Bath, UK
    Rapporteur M. Artur TYLISZCZAK Czestochowa University of Technology, Poland
    Président  M. Pierre SAGAUT Aix-Marseille Université
    Examinateur M. Innocent MUTABAZI Normandie Université
    Examinateur M. Stéphane ABIDE Université de Perpignan Via Domitia
    CoDirecteur de these Mme Isabelle RASPO Aix-Marseille Université
    CoDirecteur de these M. Stéphane VIAZZO Aix-Marseille-Université
    4 Février 2022 - Lattice-Boltzmann methods for compressible flows / PhD defense Gabriel Farag
    Doctorant : Gabriel FARAG

    Date de soutenance : le 4 février 2022 à 14h00 ; Amphi 3 Centrale Marseille

    Abstract  : Since the late 1970's, computational fluid dynamics solvers became essentials due to increasingly complex applications requiring fluid solutions. The small scales necessary for industrial applications often need a very fine grid or very small timestep. This dramatically increases the computational cost of nowadays simulations. To design more computationally efficient solvers, a popular approach is to use Lattice-Boltzmann methods. Originating from the kinetic theory of gases, this method have gained a tremendous popularity among fluid dynamicists due to its cheap and easily implemented collide & stream algorithm. However, its intrinsic assumptions confines classical Lattice-Boltzmann solvers to weakly compressible flows. Yet, some compressible models have been proposed. The purpose of this manuscript is to improve the robustness as well as accuracy of compressible Lattice-Boltzmann models. To this end, the Lattice-Boltzmann method is fully reinterpreted as a numerical scheme. This allows a straightforward and parsimonious derivation of the equivalent Navier-Stokes-Fourier system using the sole assumption of a negligible timestep. Using this formalism, the order of accuracy is shown to depend on the collision kernel, as well as the mechanical constitutive model. Various models are investigated and we show that the Knudsen number is not the sole parameter controlling the consistency with the Navier-Stokes-Fourier model. Additionally, capabilities of the entropy equation to model low supersonic flows is explained through standard shock wave theory arguments. A MUSCL-Hancock scheme is employed to discretize the entropy equation and improve both stability and accuracy compared to previous schemes. Equipped with this new formalism, a compressible pressure-based model is proposed and validated on various supersonic test cases. Then, we unify all compressible models proposed by our group under a single formalism and investigate the differences and optimal choices for the various degrees of freedom of our family of models. Finally, this unified model is validated on high supersonic smooth flows and low supersonic shocked flows. 

    Jury
    Directeur de these M. Pierre BOIVIN CNRS / M2P2
    CoDirecteur de these  M. Guillaume CHIAVASSA  Centrale Marseille
    Rapporteur M. Rémi ABGRALL Univertität Zürich
    Rapporteur M. Jonas LATT Université de Genève
    Examinateur Mme Paola CINNELLA Sorbonne Université
    Examinateur M. Manfred KRAFCZYK Technische Universität Braunschweig
    Examinateur M. Pierre SAGAUT Aix-Marseille Université / M2P2
    15 Décembre 2021 - Study of the energy potential for a water supply network / Soutenance de thèse Gautier HYPOLITE
    Doctorant : Gautier HYPOLITE

    Date de soutenance :  mercredi 15 Décembre 2021 à 14:00 (Amphithéâtre du CEREGE / Technopôle de l'Arbois-Méditerranée, BP80, 13545 Aix-en-Provence)

    Abstract : In order to reduce fossil fuels consumption for heating and cooling, different heat sources can be considered. Given theamount of water they carry, water supply systems can play this role and appear to have a high thermal potential. To date, this source has not been used: the main problem is to optimize the sizing of the equipment according to the temporal variability of water flow, water temperature, and the heat (or cold) demand. A first task is to evaluate the available thermal energy. For this purpose, a model based on a minimum number of measurements has been developed. It allows to determine the annual evolution of the temperature and the flow at each point of the network. Temporal variations of water demand and soil surface temperature are taken into account. The ground surface temperature is obtained by satellite measurements. Water flow, soil temperature and water temperature measurements in the network are performed to validate the models and the soil thermal properties. A simulation of the water system hydraulic and thermal behavior is performed for the year 2018 and compared to these measurements. The impact on the water temperature of adding several heat exchanges to the network is then evaluated with this model. In this study, the potential of a raw water system (composed of 5000 km of pipes, and transporting 200 million cubic meters of water per year in the south of France) is studied. As the temperature, the flow rate and heat demand are highly time dependent, a method has been developed to optimize the sizing and location of the exchange systems. This method is based on minimizing the entropy generation in the heat exchanger between the water pipes and the users. The dynamic behavior of a simple heat exchanger (concentric tube) between the network and the user is modeled (pressure profile and fluids and wall temperature calculation). The value of entropy generation due to temperature difference and pressure drop in the exchanger is obtained in transient operation, this value is used as an objective function for the optimization. The results based on the cooling of a data center show that the entropy gain is significant when the optimal size of the heat exchanger is chosen. The use of the raw water network connected to a reversible heat pump for heating and cooling a building has also been studied and results in a high gain compared to an air source heat pump. 

    Jury :
    Directeur de these M. Jean-Henry FERRASSE Aix Marseille Université
    Rapporteur M. Clausse MARC INSA LYON
    Rapporteur M. Francois LANZETTA Unversité de Franche-Conté
    Examinateur Mme Nathalie MAZET Université de Perpignan
    CoDirecteur de these M. Olivier BOUTIN Aix Marseille Université
    Examinateur M. Sylvain SERRA LaTEP
    26 November 2021 - Ultrafiltration as urban wastewater tertiary treatment for water reuse at semi-industrial scale / Thesis defense Jiaqi YANG
    Doctorant : Jiaqi YANG 

    Date de soutenance :   Vendredi 26 November 2021 à 10h (Grand Amphithéâtre du CEREGE - Site de l'Arbois) 

    Abstract : Water reuse is a sustainable development strategy that benefits society and future generations. In this study, a semi-industrial ultrafiltration (UF) pilot plant established at the outlet of a wastewater treatment plant was studied to assess its feasibility and sustainability for non-potable water reuse. The optimization of operating conditions made it possible to support reliable and sustainable filtration performance, the operating conditions were optimized through comparative analysis in terms of water quality, permeability variation, irreversible fouling management, and water recovery rate. The best conditions were J80t40BW1/3 (flux of 80 L·h−1·m−2, filtration cycle time of 40 min, 1 air backwash followed by 3 classical backwashes), J60t60BW1/4 and J60t60BW1/3. The long-term study on condition J60t60BW1/3 provides sustainable and adaptable filtration performance regardless of the temperature and feed water quality variation. In addition, the air backwashes enabled excellent reversibility of membrane fouling, which was approximately 1.25 to 2 times higher than of classic backwashes in average. The quality of the UF permeate was good enough to be reused in non-potable purposes as it met reuse guidelines of the World Health Organization, reuse standards of France, and the most recent EU regulation for agricultural irrigation. A specific study of membrane cleaning has shown that the addition of NaClO in backwash water can greatly increase cleaning efficiency of air backwashes. Finally, the calculation of the capital expenditure (CAPEX) and operational expenditure (OPEX) of the UF system under optimized conditions gives a profitable net unit price for water production. Through this thesis, UF is confirmed to be a reliable tertiary treatment for water reuse and the results give operational indications for the industrial scale and provides proposals for the management of membrane fouling by air backwash with chemical assistance. 

    Jury :
    Annabelle COUVERT (Examinateur) / Professeur des Universités, ISCR, ENSC Rennes
    Lionel ERCOLEI (Membre invité) /Directeur de l’Innovation, Société des Eaux de Marseille Métropole
    Marc HÉRAN (Rapporteur) / Professeur des Universités, IEM, Université de Montpellier
    Stéphanie LABORIE (Rapporteur) / Maître de Conférences HDR, TBI, INSA Toulouse
    Mathias MONNOT (Co-Directeur de Thèse) / Maître de Conférences, M2P2, Aix-Marseille Université
    Philippe MOULIN (Directeur de Thèse) / Professeur des Universités, M2P2, Aix-Marseille Université
    Patrick SAUVADE (Membre Invité) / Product manager, Aquasource, Toulouse
    9 Novembre 2021 - Vers la prédiction numérique du tremblement basse vitesse des avions civils: traitement de paroi amélioré pour la méthode Boltzmann sur réseau / Soutenance de thèse de Johan DEGRIGNY
    Doctorant : Johan DEGRIGNY

    Date de soutenance : Mardi 9 Novembre 2021 à 14:00, CERFACS, Toulouse / Salle administration 

    Résumé :
    La CFD (mécanique des fluides numérique) est un outil fiable et répandu en aérodynamique aéronautique pour prédire les écoulements dans des conditions proches des points de croisière nominaux. La prédiction fidèle de phénomènes aérodynamiques instationnaires impliquant des décollements massifs échappe encore aux calculs effectués à l'aide de la stratégie de modélisation de turbulence RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes), qui est la norme dans le secteur. Le tremblement basse vitesse -- l'excitation mécanique de certains composants (l'empennage, par exemple) par le sillage d'un décollement localisé sur un composant en amont (la voilure, par exemple) -- tombe dans cette catégorie. Il est attendu des calculs résolvant les grandes échelles turbulentes qu'ils comblent cette lacune et qu'ils permettent ainsi l'élaboration de meilleurs aéronefs de façon plus économique et avec des cycles de conceptions plus courts. La LBM (méthode de Boltzmann sur réseau) semble être une bonne candidate pour relever le défi d'effectuer des calculs résolvant les grandes échelles turbulentes dans le processus de conception d'aéronefs. La modélisation de paroi, qui consiste à modéliser l'écoulement dans la zone interne de la couche limite, est crucial pour la LBM, plus encore que pour d'autres méthodes numériques. En effet l'utilisation de maillages cartésiens rend les calculs pleinement résolus de couches limites à fort nombre de Reynolds utopiques (même avec la modélisation RANS), et complique grandement la modélisation de paroi. De telles implémentations sont appelées "traitements de paroi". Ce travail repose sur ProLB, un solveur LBM développé par et appartenant à un groupement dont fait partie Airbus. Un traitement de paroi amélioré est développé dans ProLB à partir du traitement existant afin d'étendre le potentiel du solveur pour les écoulements attachés. Ces derniers sont un enjeu majeur pour le tremblement basse vitesse, au même titre que les écoulements décollés. Quatre éléments complémentaires sont introduits: un schéma d'entrée pour le modèle de paroi contournant l'interpolation du champ de vitesse proche des parois, la prise en compte du gradient discrétisé du modèle de paroi dans la condition limite LBM, l'élimination des noeuds trop proches des parois par rapport à la taille de maille locale et une précaution spécifique pour les mailles en surplomb au niveau des arrêtes vives. Le traitement de paroi amélioré est calibré et validé par des calculs RANS avec un simple modèle de paroi algébrique sur une plaque plane alignée avec le maillage en l'absence de gradient de pression et sur un profil d'aile NACA0012. La régularité des frottements et pressions pariétaux sont bien meilleurs qu'avec le traitement de base. La précision des résultats est aussi améliorée, dans les limites de la simplicité du modèle de paroi utilisé; les décollements ne sont pas correctement prédits. Le formalisme LES (simulation aux grandes échelles) donne un cadre pour la résolution des grandes échelles turbulentes mais sa mise en oeuvre est compliquée pour des applications réalistes. Les modèles hybrides RANS-LES comme les dérivés de la DES (Detached Eddy Simulation), qui combinent les avantages de ces deux stratégies de modélisation de la turbulence, sont donc plus prometteurs dans le cadre industriel. Le modèle perfectionné ZDES mode 2 (2020) publié récemment est donc implémenté dans ProLB, et sa mise en application en conjonction avec le traitement de paroi amélioré est montrée sur un profil d'aile hypersustenté et une configuration générique d'avion hypersustenté. 

    Jury
    Directeur de these M. Pierre SAGAUT Aix Marseille Université / M2P2
    Rapporteur M. Eric LAMBALLAIS Université de Poitiers
    Rapporteur M. Sébastien DECK ONERA
    Examinateur M. Damiano CASALINO Delft University of Technology
    Examinateur Mme Salvetti MARIA VITTORIA Università di Pisa
    17 septembre 2021 - Rétention de virus par ultrafiltration : application à la production d'eau potable / Soutenance de thèse de Nolwenn JACQUET
    Doctorante : Nolwenn JACQUET 

    Date de soutenance : Vendredi 17 septembre 2021 à 9:00 ; Technopôle de l'Arbois-Méditerranée ; CEREGE, Amphithéâtre.

    Résumé :
    Lors de la production d'eau potable, produire une eau exempte de tout microorganisme pathogène pour l'homme est une priorité afin d'éviter tout risque sanitaire. Le traitement de ces différents pathogènes est assuré en usine par un traitement multi barrières composé de différents procédés de désinfection comme le chlore, les rayonnements UV et/ou l'ozone. Les procédés membranaires peuvent également compléter cette désinfection sans ajout de corps tiers. Lors de cette thèse, le procédé d'ultrafiltration a été étudié vis-à-vis de la rétention de deux virus entériques pathogènes : un adénovirus (AdV 41) et un entérovirus (CV-B5). La rétention de ces virus a pu être comparée à celle d'autres composés comme les bactériophages MS2 ou les nanoparticules fluorescentes, afin d'évaluer leur potentiel comme modèle de rétention virale. Différentes conditions opératoires ont pu être étudiées afin de mettre en évidence les potentielles différences entre les manipulations en laboratoire et la réalité industrielle. La rétention virale apparait fortement impactée par la concentration en amont de la membrane et/ou la concentration d'alimentation. Si les abattements viraux calculés pour de fortes concentrations virales d'alimentation peuvent atteindre, en accord avec les données fabricant, 3 à plus de 5 log selon les membranes et les virus étudiés, des abattements inférieurs à 1 log sont obtenus pour les plus faibles charges virales étudiées, représentatives de la réalité de la contamination des ressources en eau. L'impact de la membrane mais également de son vieillissement sur la rétention virale a également été étudié par rapport à un vieillissement au NaOCl et un vieillissement réel en usine. Si l'exposition au NaOCl entraîne bien des dégradations du matériau membranaire, c'est l'apparition du colmatage après les cycles de filtrations en usine qui influence fortement la rétention virale avec le vieillissement. L'osmose inverse basse pression a également été étudiée et comparée à l'ultrafiltration. Ces membranes denses permettent ainsi d'améliorer la rétention virale, bien qu'elles ne permettent pas une rétention totale. 

    Jury
    Directeur de these M. Philippe MOULIN Aix Marseille Université
    M. Yvan WYART Aix Marseille Université
    M. Laurent MOULIN Eau de Paris
    Examinateur Mme Soizick LE GUYADER IFREMER
    Rapporteur Mme Corinne CABASSUD INSA TOULOUSE
    Rapporteur M. Benoit TEYCHENE IC2MP
    20 juillet 2021 - Numerical modeling of an in-vessel ow limiter using an immersed boundary approach / PhD defense Georis Billo
    Doctorant : Georis BILLO

    Date de soutenance : le 20 juillet 2021 à 9h00 ; Amphi 3 Centrale Marseille

    Abstract : In the framework of the development of new passive safety systems for the second and third generations of nuclear reactors, the numerical simulations, involving complex turbulent two-phase  flows around thin or massive in flow obstacles are privileged tools to model, optimize and assess new design shapes. In order to match industrial demands, computational  fluid dynamics tools must be the fastest, most accurate and most robust possible. The purpose of my PhD was to design and develop such a tool.
       The aforementioned constaints tend to rule out a "body-fitted". Indeed, we chose a Fictitious Domain approach to deal with this problem. More precisely, the developed tool involves solving the Navier-Stokes equations using a projection scheme for a mixture fluid coupled with an Immersed Boundary (IB) approach: the penalized direct forcing method - a technique whose characteristics inherit from both penalty and immersed boundary methods - adapted to in finitely thin obstacles and to a Finite Element (FE) formulation. Various IB conditions (slip, no-slip or Neumann) for the velocity on the IB can be managed by imposing Dirichlet values in the vicinity of the thin obstacles. To deal with these imposed Dirichlet velocities, we investigated two variants: one in which we directly use the obstacle velocity and another one in which we use linear interpolation (this last variant being motivated by an increase of the space order of convergence). Several approaches were investigated (directional, mutli-directional and hybrid) for the linear interpolation of the velocity near the obstacle but, in any case, geometrical data coming from the obstacle are needed. Thus, retrieving geometrical data, generally from a Computer Assisted Design (CAD) object, is a key issue and, once again, several methods were studied and compared.
       Another major issue, when dealing with numerical simulations, is validation. First, studies involving various one-phase academic test cases (such as Poiseuille, Taylor-Couette and the  flow around a circular cylinder) were carried out. The results obtained were in good agreement with analytical and experimental data. Moreover, second order accuracy (in space) was numerically assessed when using linear interpolation, as expected. Then, studies involving industrial or quasi-industrial test cases were carried out to illustrates the advantages and drawbacks of this approach.
       In a shortcoming second step, to face two-phase turbulent fluid simulations, some methodology modi cations will be considered such as adapting the projection scheme to low-compressible  fluid and immersed wall-law boundary conditions (another PhD project has begun in october 2020).

    Jury :

    o   Michel Belliard, CEA Cadarache, ingénieur-chercheur, HDR, encadrant
    o   Pierre Sagaut, M2P2 (AMU), professeur, directeur de thèse
    o   Cédric Galusinski, IMATH (Université de Toulon), professeur, examinateur     
    o   Lisl Weynans, INRIA (Université de Bordeaux), professeure assistant, HDR, rapporteure
    o   Stéphane Vincent, MSME (Université Gustave-Eiffel), professeur, rapporteur
    o   Barbara Bigot, CEA Cadarache, ingénieur-chercheur, examinatrice
    17 Juin 2021 - Amélioration de la méthode de Boltzmann sur réseau pour réaliser des simulations aéroacoustiques avec des maillages non-uniformes: Application à la prédiction du bruit de train d'atterrissage / Soutenance de Thèse Thomas Astoul
    Doctorant : Thomas ASTOUL

    Date de soutenance : jeudi 17 juin 2021 à 14:00 ;  CERFACS, 42 Avenue Gaspard Coriolis, 31100 Toulouse ; Webex 

    Résumé : la prédiction de bruit de train d'atterrissage est un enjeu majeur pour un constructeur aéronautique, puisqu'il contribue à environ 40% du bruit total de l'aéronef lors des phases d'approche. Les essais en vol et ceux réalisés en souffleries anéchoïques ont permis de comprendre les mécanismes de génération du bruit, ainsi que de développer des dispositifs permettant de le réduire. Cependant, ces méthodes sont très longues et coûteuses à mettre en oeuvre. Les méthodes de simulation numériques (CFD) émergent ainsi comme un complément essentiel à ces approches expérimentales. L'écoulement autour des trains d'atterrissage est complexe et fortement instationnaire, et le bruit généré est de nature large bande. De part ces caractéristiques, il est nécessaire de se tourner vers des méthodes instationnaires de modélisation de la turbulence, comme la simulation aux grandes échelles (LES), pour prédire ces sources acoustiques. La méthode de Boltzmann sur réseau (LBM) est une méthode numérique qui a récemment montré un fort potentiel pour ce type d'applications, grâce à sa précision, son faible temps de restitution et sa capacité à gérer des géométries complexes, et de ce fait, est adoptée pour cette thèse. Les simulations aéroacoustiques nécessitent une grande précision puisque les fluctuations acoustiques, qui sont de plusieurs ordres de grandeur inférieures aux fluctuations aérodynamiques, doivent être correctement capturées et propagées. Néanmoins, les raccords de maillages non conformes utilisés en LBM ont l'inconvénient de générer de la vorticité et de l'acoustique parasites se propageant au coeur du fluide, au risque d'affecter les prédictions de bruit. L'objectif de cette thèse est de développer de nouveaux modèles de transition de maillage dans le code LBM "LaBS/proLB", et de les valider sur des cas d'application d'aéroacoustique de train d'atterrissage. Deux axes principaux sont étudiés pour remédier à ces phénomènes : 1/ Une étude du schéma numérique au coeur du fluide est effectuée, mettant en exergue la responsabilité des modes non-hydrodynamiques, spécifiques à la LBM, dans la génération de vorticité et d'une portion de l'acoustique parasite émise aux raccords de maillages. Après une étude approfondie de l'implication de ces modes, un modèle de collision approprié (H-RR) est sélectionné pour filtrer ces derniers lors d'une simulation. La stabilité et la précision de ce modèle ainsi que d'autres schémas LBM dans des conditions typiques de simulations aéroacoustiques sont également investiguées. Cette étude met en évidence des problèmes de stabilité, ainsi qu'une précision discutable de nombreux schémas LBM avancés disponibles dans la littérature. 2/ Un algorithme de couplage direct entre deux grilles de résolution différentes est proposé. Cet algorithme permet de grandement améliorer la précision des raccords non-conformes et, de ce fait, de réduire l'émission acoustique parasite produite par la traversée de ces interfaces par des tourbillons composant les sillages. Enfin, le train d'atterrissage LAGOON permet de valider ces ingrédients numériques. Une étude aérodynamique puis aéroacoustique via un couplage avec un code de propagation acoustique basé sur l'analogie de Ffowcs Williams and Hawkings (FW-H) sont menées. Les limites de cette analogie dans sa formulation solide, généralement utilisée pour prédire le bruit de train d'atterrissage, sont soulignées. Enfin, l'effet de composants additionnels de complexité croissante sur le bruit généré est étudié. 

    Jury :
    Directeur de these     M. Pierre SAGAUT     Aix Marseille Université
    Rapporteur     M. Damiano CASALINO     Université de technologie de Delft
    Rapporteur     M. Jonas LATT     Université de Genève
    Examinateur     M. Alois SENGISSEN     Airbus Operations SAS
    Examinateur     M. Eric MANOHA     ONERA
    Examinateur     M. Stéphane MOREAU     Université de Sherbrooke
    Examinateur     Mme Véronique FORTUNé     Université de Poitiers
    Mercredi 16 juin 2021 - De la vague déferlante au globule rouge / Soutenance HDR Paul Gang CHEN
    Dr. Paul Gang CHEN

    Date de soutenance : le mercredi 16 juin à 15h00 (visio - Zoom)

    Résumé : au cours de cette soutenance, je présenterai mes différents travaux sur la modélisation et la simulation numérique d’écoulements interfaciaux : de la vague déferlante au globule rouge.

    Jury :
    M. Daniel Henry, LMFA, École Centrale de Lyon, Rapporteur
    M. Grétar Tryggvason, Johns Hopkins University, Rapporteur
    M. Stéphane Zaleski, d’Alembert, Sorbonne Université, Rapporteur
    M. Richard Saurel, LMA, Aix-Marseille Université
    M. Marc Jaeger, M2P2, École Centrale de Marseille, Tuteur
    M. Marc Leonetti, LRP, Grenoble, Invité

    29 Mars 2021 - Impact of coliisionality on the transport and turbulence properties at the plasma edge of a tokamak / PhD defense Raffaelle Tatali
    Doctorant : Raffaelle TATALI

    Date de soutenance :  le 29 Mars 2021 à 9h30 en visio

    Abstract : Predictive simulations of plasma edge and plasma-wall interaction in tokamaks are necessary for the future working of ITER, but nowadays they still require more work. Collisionality is one of the key parameters in determining turbulent transport in the plasma edge, regulating phenomena such as ”shoulder formation”, separation of scale lengths in the scrape-off layer, turbulence damping and zonal flow dynamics. Understanding its role is therefore of primary importance for future reactors like ITER. Obtaining reliable predictions and a better characterization of plasma flow properties when varying collisionality remains, however, a critical challenge for the simulations. This PhD thesis focuses on the impact of varying collisionality in a nonisothermal three-dimensional fluid model in the plasma edge of a high field side limited configuration with parameters typical of a medium-sized tokamak. Details on mean flow and turbulence properties of a non-isothermal edge plasma encompassing open and closed field lines are given. The results obtained show that changing collisionality leads to significant changes in the flow properties both on the mean and fluctuating quantities. In particular, lowering collisionality decreases the size of coherent structures, the fluctuation levels of turbulence, and steepens the density and temperature equilibrium profiles around the separatrix leading to a global reduction of the turbulent transport. The scrape-off layer (SOL) width is observed to increase with collisionality, eventually resulting in the disappearance of the scale lengths separation between near and far SOL, consistently with previous experimental observations. At low collisionality, where the presence of narrow feature is well-established, a contribution of heat conduction increases up to compete with heat convection.

    Jury

    M. Rasmussen Jens ( Professeur émérite Denmark Technical University ) Rapporteur
    M. Vianello Nicola ( Directeur de recherche Italian National Research Council )   Rapporteur 
    M. Theiler Christian ( Professeur assistant EPFL ) 
    Mme Vermare Laure ( Chargée de recherche LPP-CNRS ) 
    M. Tamain Patrick ( Ingénieur de recherche CEA-IRFM )
    M. Ghendrih Philippe ( Directeur de recherche CEA-IRFM  ) 
    M. Ciraolo Guido ( Ingénieur de recherche CEA-IRFM  ) 
    M. Serre Eric ( Directeur de recherche CNRS-M2P2  )   Direction de thèse 
    Mardi 16 Mars - Preparation of polyurea microcapsules calibrated in size and shell thickness by a microfluidic process for the absorption of ultraviolet / Soutenance de thèse Jiupeng DU
    Doctorant : Jiupeng DU

    Date de soutenance :  le mardi 16 mars à 14h00 en VISIO

    Abstract : This thesis aims to exploit the advantages of microfluidics for the production of polyurea microcapsules. Because of its ability to produce drops with a very narrow size distribution, microfluidic emulsification shows great interest as the first step for rapid interfacial polymerisation. Although the literature on the production of drops in microchannels is abundant, commonly used organic solvents are limited to certain toxic hydrocarbon oils or ketones, as these solvents are very hydrophobic and therefore easy to emulsify in water.

    The first part of the work concentrates on the feasibility of emulsifying two less hydrophobic green solvents (dibutyl adipate and n-butyl acetate) in water and study the different flow regimes within a hydrophilic flow-focusing microchannel of glass. The results show that the wetting of the walls by dibutyl adipate can be modified by adding a surfactant (Tween 80). However, the formation of the drops being much faster than the transfer of the surfactant to the interface of the drop being formed, concentrations much higher than the critical micellar concentration are necessary to avoid wetting of the walls by the dispersed phase and thus the appearance of disordered flow regimes. The behavior of the n-butyl acetate/water system is similar, but the comparison of the flow maps for the two systems raises the question of the choice of dimensional numbers for representing the transition between the dripping and jetting regimes.

    In the second part, the addition of an interfacial polymerization within the emulsion formed by microfluidics is studied in detail. We aim to fabricate polyurea microcapsules calibrated in size and shell thickness containing octyl salicylate (OS). These microcapsules are used to study, for the first time, the influence of the shell thickness of microcapsules on their absorption efficiency against ultraviolet (UV) light. The results show that an increase of the concentration of isocyanate (HDB-LV or hexamethylene diisocyanate biuret) in the organic phase increases the shell thickness of the microcapsules, their encapsulation efficiency and very moderately their average absorbance. The average absorbance of the microcapsules is inversely proportional to the size of the microcapsules (for the same mass of OS). A theoretical model is proposed to estimate the average absorbance as a function of the mass fraction of HDB-LV in the organic phase and of the size of microcapsules. Finally, the concentration of amine (ethylenediamine) has been optimized to ensure the spherical shape of the microcapsules.

    Jury:

    Marc LEONETTI (CNRS, LRP), Rapporteur
    Nathalie LE SAUZE (Univ Toulouse III), Rapportrice             
    Christophe Alexandre SERRA (Univ Strasbourg), Examinateur
    Stéphane VEESLER (CNRS, CINAM), Examinateur
    Pierrette GUICHARDON (ECM, M2P2), Directrice      
    Nelson IBASETA (ECM, M2P2), Codirecteur
    Jean-Claude HUBAUD (Helioscience), invité
    Bruno MONTAGNIER (Capsudev), invité
    Vendredi 18 décembre - Instabilités strato-rotationelles : calcul intensif et expérience / Soutenance de thèse Gabriel MELETTI DE OLIVEIRA
    Doctorant : Gabriel MELETTI DE OLIVEIRA            
      
    Date de la soutenance :  le 18 décembre 2020 à 10h00, au bâtiment AZFD de la Brandenburg University of Technology Cottbus – Senftenberg

    Abstract : 

    Les vortex en écoulements stratifiés peuvent se manifester à petite et grande échelles dans les applications géophysique et astrophysique. Dans le contexte astrophysique, les disques d’accrétion (à partir desquels les systèmes solaires sont formés) peuvent être considérés comme des tourbillons en milieux stratifiés. En ce qui concerne la formation des planètes, la compréhension des mécanismes qui peuvent entraîner un transport vers l’extérieur du moment cinétique constitue par conséquent un problème central. Pour qu’une planète ou une étoile se forme dans un disque, le moment angulaire doit être transporté loin de son centre afin de permettre l’agrégation de matière par gravité; sinon, sa vitesse de rotation serait beaucoup trop grande pour permettre cette agrégation de matière (et la formation d’étoiles qui en résulte). Dans de tels systèmes constitués de gaz, la turbulence est le mécanisme le plus probable permettant de réaliser un transport de moment angulaire aussi important. Cependant, il a été montré que le profil des écoulements des disques d’accrétion est stable et la question se pose de savoir com-ment la turbulence peut être générée. Parmi les autres candidats, l’instabilité strato-rotationnelle (SRI) a attiré l’attention ces dernières années. SRI est une instabilité purement hydrodynamique qui peut être modélisée par un système classique de Taylor-Couette (TC) avec une stratification stable due à un gradient axial de salinité ou de température. Dans cette thèse, on proposes une étude à la fois expérimentale et numérique en se focalisant sur la mise en évidence de nouveaux comportements spécifiques à l’instabilité strato-rotationnelle (SRI). La stratification axiale provoque un changement de la transition de l’instabilité marginale par rapport au système classique non stratifié TC, rendant l’écoulement instable dans les régions où sans stratification il resterait stable. Cette caractéristique fait de l’instabilité SRI un phénomène pertinent dans les domaines planétaire et astrophysique, en particulier dans la théorie de la formation des disques d’accrétion. Malgré de nombreuses avancées dans la compréhension des écoulements strato-rotationnels,la confrontation de données expérimentales avec des simulations numériques non linéaires est pertinente, car elle implique à la fois les aspects linéaires ainsi que les interactions non linéaires des modes SRI qui doivent encore être mieux compris. Ces comparaisons révèlent également de nouveaux phénomènes et motifs non linéaires encore jamais observés pour les SRI, contribuant ainsi à une meilleure compréhension des écoulements géophysiques. Le dispositif expérimental conçu pour étudier ces phénomènes liés à l’instabilité SRI consiste en deux cylindres qui peuvent tourner indépendamment, la cavité étant remplie avec de l’huile de silicone. Afin d’obtenir une stratification stable le long de l’axe du cylindre, le couvercle inférieur de l’installation est refroidi tandis que sa partie supérieure est chauffée. Le champ résultant de la rotation des cylindres interagissant avec la stratification de densité stable est mesuré en utilisant la technique de vélocimétrie par image de particules (PIV). Dans cette thèse, nous nous sommes concentrés sur des cas à nombres de Reynolds modérés (Re, basé sur le rayon du cylindre intérieur et les vitesses angulaires), variant entre Re=300 et Re=1300. Le rapport de rotation entre cylindres extérieur et intérieur est fixé à μ=Ωout/Ωin=0.35, une valeur légèrement inférieure au profil de vitesse képlérien, mais au delà de la limite de Rayleigh. Cette configuration expérimentale est également étudiée par simulations numériques directes à l’aide d’un code parallèle incompressible avec une approximation de Boussinesq, basé sur des schémas compacts d’ordre élevé et des séries de Fourier.D’un point de vue algorithmique, une décomposition bi-dimensionnelle est mise en œuvre afin d'obtenir une parallélisation efficace.

    Jury :
    Directeur de thèse:  Stéphane Viazzo (Aix-Marseille Université, M2P2)   
    Directeur de thèse:  Uwe Harlander (BTU Cottbus-Seftenberg)
    Rapporteur:  Innocent Mutabazi (Université du Havre) 
    Rapporteur: Christoph Egbers ( BTU Cottbus-Seftenberg)
    Examinatrice:  Caroline Nore (Université Paris Saclay)
    Examinatrice:  Nikki Verkauteren (FU-Berlin)
    Invité:  Fred Feudel (Universität Potsdam)
    Invité: Stéphane Abide (Université de Perpignan) 

    Mercredi 16 décembre à 14h00 - Development of Combustion Modelling within Lattice Boltzmann Framework / Soutenance de thèse Muhammad TAYYAB
    Doctorant : Muhammad TAYYAB            
      
    Date de la soutenance :  le 16 décembre 2020 à 14h00

    Abstract : 

    Computational Fluid Dynamics (CFD) has become a must-have design tool in the industry, where simulations are used to continuously improve geometries and designs. The external aerodynamics community has recently witnessed a paradigm shift, from Navier-Stokes based solvers to Lattice Boltzmann (LB) solvers. Unsurprisingly, this change was mostly motivated by costs, which were roughly divided by ten in the process. Unfortunately for the combustion community, also a big CFD client, this paradigm shift involved an iso-thermal flow assumption, incompatible with reactive flows in combustion. The objective of this thesis is to lift this limitation and extend the LB method to cope with reactive flows.
    Two different hybrid LB models are detailed in this work which are capable of computing various different combustion processes. The LB solver consists of a regularized thermal LB method based on the standard lattices (D2Q9, D3Q19) and the pressure is linked to the ideal gas law. The classical Finite Difference (FD) schemes are used to solve energy and species conservative equations. The methods are compressible and incorporate full thermo-fluid coupling. Validations are then performed on a wide variety of test cases, from 1D freely propagating premixed flame and 2D counter-flow diffusion flame, to complete unsteady simulation of a 1.5m combustion test rig. The accuracy of the method is demonstrated by comparing simulations of thermo-diffusive instabilities with experimental data. A 3D DNS benchmark is also presented, to show that the cost reduction obtained in the field of external aerodynamics is also achievable for reacting flows; perhaps providing the most important conclusion of this work.

    Jury: 

    Rapporteur du jury : E.FROUZAKIS CHRISTOS
    Rapporteur du jury : MURA ARNAUD
    Membre du jury : H. LUO KAI
    Membre du jury : JIMENEZ CARMEN
    Membre du jury : SAGAUT PIERRE
    Directeur : BOIVIN PIERRE
    Co-Directeur : HALDENWANG PIERRE
    Mardi 15 décembre à 9h00 - Impact d'une perturbation magnétique 3D non axisymétrique sur le transport et la turbulence dans le plasma de bord des tokamaks / Soutenance de thèse Benjamin LUCE
    Doctorant : Benjamin LUCE          
      
    Date de la soutenance :  le 15 décembre 2020 à 9h00, CEA Cadarache IRFM, bât.513 (+visio)

    Abstract : 

    Pour un mix énergétique, la maîtrise de la fusion nucléaire offre l’opportunité d’une source d’énergie abondante et renouvelable. Les tokamaks ont montré les meilleurs performances pour confiner un plasma de fusion grâce à des champs magnétiques et ont été choisis comme la prochaine génération de machines pour la recherche en fusion (ITER). L’évacuation des flux de chaleur et l’augmentation du temps de confinement sont les deux principaux défis pour les tokamaks. Ils sont directement en lien avec le transport perpendiculaire, essentiellement turbulent, vers le mur. Pour améliorer le confinement, le mode H est recherché. Il crée un piedestal sur la pression dans le plasma de bord, réduisant le transport perpendiculaire mais est associé à des relaxations, les ELMs, responsables d’un afflux de chaleur transitoire sur les murs au-delà des limites tolérables. Pour supprimer ou mitiger les ELMs, des perturbations magnétiques 3D (MPs) ont été ajoutées grâce à des bobines externes. Les impacts des MPs sur les ELMs, la transition L-H, leur écrantage ou leur résonance sur le champ magnétique ont été étudiés. Peu de données existent sur leur impact sur la turbulence dû à la difficulté de mesures expérimentales et à la complexité sur les outils numériques nécessaires. Dans cette thèse, nous abordons la question par la modélisation du plasma de bord, de l’extérieur du coeur à la SOL. 2 codes complémentaires sont utilisés : un code fluide 3D électrostatique turbulent, TOKAM3X et un à champs moyens, MHDG. Avec TOKAM3X, un effort conjoint de l’IRFM (CEA), du M2P2 et du PIIM, nous observons l’impact de MPs 3D sur la turbulence de bord. La capacité de traiter des perturbations 3D a été ajoutée durant cette thèse. Une approche par étape a suivi, d’abord par des simulations isothermes electrostatiques avec une MP mode simple dans une géométrie circulaire avec limiteur. Des observations expérimentales ont été reproduites comme la perte de densité par les MPs, ansi que les variations du champ électrique radial, associées à une redistribution poloïdale et toroïdale des flux. Les MPs impactent modérément la turbulence, réduisant l’intermittence dans la SOL et les fluctuations de densité. Une complexification du modèle a été faite sur des simulations non isothermes. Nous montrons l’importance du découplage entre particule et énergie. Différents résultats sont observés lorsqu’un flux simpliste de particules en provenance du coeur est comparé à un flux recyclé, plus réaliste, en provenance du limiteur. Des tendances expérimentales sont retrouvées dans le cas avec recyclage mais seulement partiellement dans le cas sans. L’impact sur la turbulence est à nouveau modéré mais différent suivant les cas, particulièrement lorsque l’on distingue la turbulence associée à l’énergie ou aux particules. Une analyse des conséquences de ces observations sur les simulations à champs moyens est proposée par à une comparaison directe. Des différences significatives sont observées par rapport aux simulations turbulentes qui ont des perturbations toroïdales non-axisymétriques d’amplitudes bien plus importantes. Leur localisation spatiale est également différentes. Ces résultats démontrent certaines limites de l’approche à champs moyens sur la modélisation des MPs et appellent à poursuivre l’effort sur des simulations turbulentes auto-consistantes. Enfin, les premiers résultats sur des simulations à champs moyens TOKAM3X avec des MPs plus réalistes sont présentés. L’impact est plus faible (en amplitude) et plus localisé. Une extension de ce travail a été implémentée sur MHDG, utilisant pour la première fois son modèle 3D, pour explorer des géométries et MPs plus complexes (jusqu’à un ripple en géométrie WEST). Les MPs réalistes ont un comportement similaire aux observations faites avec TOKAM3X champs moyens mais avec des différences notables. Le ripple modifie l’équilibre global du plasma mais, en accord avec la théorie, impacte faiblement sa symétrie toroïdale.

    Jury :
    M. Eric SERRE /  Aix Marseille Université / Directeur de thèse
    M. Alexander KENDL / Innsbruck Universität / Rapporteur
    M. Hinrich LÜTJENS / Ecole Polytechnique / Rapporteur
    M. Patrick TAMAIN / CEA IRFM / Co-encadrant de thèse
    M. Peter BEYER / Aix Marseille Université / Examinateur
    Mme Laure VERMARE / Ecole Polytechnique / Rapporteur
    Jeudi 10 décembre - Recherche d’optimum de conversion de la biomasse et optimisation de la répartition d’entropie dans un réacteur, deux contributions au développement des bio-raffineries/ Soutenance de thèse Jonathan GOFFE
    Doctorant :  Jonathan GOFFE            
      
    Date de la soutenance :  visioconférence le jeudi 10 décembre à 10 h.

    Résumé : 

    L’optimisation des processus à grande échelle, la réduction des irréversibilités lors des différentes transformations, ainsi que les changements stratégiques majeurs dans le choix des ressources et des applications sont des étapes clés de la transformation du modèle énergétique mondial. En contribuant d’une part à développer des outils d’évaluation théorique de la conversion de la biomasse ce travail fournit des critères permettant d’identifier les limites supérieures théoriques de la conversion de la biomasse. La conversion de deux biomasses (lignocellulosique et microalgue) en alcanes, alcools, monoxyde de carbone ou hydrogène est réalisée. Elle souligne l’importance de la stœchiométrie dans la faisabilité et l’efficacité des conversions. D’autre part ce travail contribue au domaine de l’optimisation des procédés par la réduction des irréversibilités. Le fonctionnement d’un réacteur tubulaire a été étudié en mesurant l’impact de la géométrie. Le procédé de reformage du méthane à la vapeur sert de cas modèle. Une proposition d’équipartition de la production d’entropie à été proposé à partir d’une décomposition en sous réacteurs. 

    Mots clés : Biomasse, conversion de la biomasse, Analyse Pinch, Matlab, equipartition, création d’entropie, réacteur tubulaire, reformage du méthane à la vapeur 

    Jury :

      Dr Raphaele THÉRY HÉTREUX
         Maitre de conférences HDR, LGC, INPT Toulouse, Rapportrice
      Pr Guillain MAUVIEL
         Professeur des Universités, LRGP Nancy, Université de Lorraine, Rapporteur
      Dr Nathalie MAZET
         Directeur de recherche, CNRS, PROMES, Université de Perpignan Via Domitia, Examinatrice
      Dr Lingai LUO
         Directeur de recherche, CNRS, Laboratoire de Thermique et Énergie, Université de Nantes, Examinatrice
      Dr Jean-Henry FÉRRASSE
         Maître de Conférences HDR, M2P2, Aix Marseille Université, Directeur de thèse
    Vendredi 30 octobre 2020 à 10h - Development of a hybrid process, membrane-Ionic Liquid (ILM), for gas treatment / Soutenance de thèse Xueru YAN
    Doctorante : Xueru YAN               
      
    Date de la soutenance :  le vendredi 30 octobre 2020 à 10h00, salle de projection (M2P2, Arbois, à Aix-en-Provence)

    Résumé : 

    L'élimination des polluants d'un mélange gazeux ou liquide est un enjeu majeur en termes de réduction de l'impact environnemental de nombreux procédés industriels. Les liquides ioniques sont des solvants de remplacement prometteurs dans la séparation sélective en raison de leur pression de vapeur négligeable et de leurs propriétés chimico-physiques. Dans cette étude, un nouveau procédé hybride, la combinaison des IL et d'une membrane céramique tubulaire (ILM), a été développé dans le but de traiter des gaz ou des liquides. Par rapport aux procédés conventionels, l’ILM offre une grande stabilité et une résistance mécanique élevée pendant une longue période de fonctionnement. De plus, les propriétés spécifiques des ILs assurent la sélectivité et de fortes capacités d'absorption. Dans le cas des traitements de gaz, l'élimination de l'humidité pour protéger le capteur de gaz et le traitement du gaz industriel contenant du toluène sont les deux parties développées dans ce manuscrit. Les effets de plusieurs paramètres de fonctionnement, notamment le débit de gaz, la température, la pression, la concentration d'alimentation, la surface effective de la membrane ont été étudiés à la fois sur l'élimination de l'humidité et du toluène en phase gaz. Un modèle mathématique en deux étapes a été utilisé pour modéliser les résultats expérimentaux et évaluer la performance de séparation des ILM. Enfin des essais avec un ILM de taille industrielle ont confortés les résultats à petite échelle.

    Jury: 

    M. Stéphane ANGUILLE (Co-Directeur de Thèse), Maître de conférences, IUT Aix-Marseille
    M. Marc BENDAHAN (Examinateur), Professeur, IM2NP, Aix-Marseille Université
    M. Christophe CASTEL (Rapporteur), Professeur, ENSIC-LRGP
    M. Alberto FIGOLI (Rapporteur), Professeur, ITM-CNR at University of Calabria
    M. David GROSSO (Examinateur), Professeur, IM2NP, Aix-Marseille Université
    M. Philippe MOULIN (Directeur de Thèse), Professeur, M2P2, Aix-Marseille Université
    Mme. Audrey SORIC (Examinateur), Maître de conférences, M2P2, École Centrale Marseille
    Jeudi 15 octobre 2020 à 14h - Couplage entre le transport d'un soluté, la pression osmotique et les instabilités hydrodynamiques dans la configuration de Taylor-Couette-Application aux procédés de filtration membranaires / Soutenance de thèse Rouae BEN DHIA
    Doctorant : Rouae BEN DHIA               
      
    Date de la soutenance :  Jeudi 15 Octobre 2020 à 14:00
      Ecole centrale Marseille, 38 Rue Frédéric Joliot Curie, 13451 Marseille, Amphi 3 

      Résumé : 

      L'osmose inverse RO est par exemple l'un des processus de filtration membranaire les plus importants qui jouent un rôle primordial dans les technologies de purification de l'eau. Néanmoins, les performances du RO sont limitées par la polarisation de la concentration. Aucune étude quantitative n'existe pour évaluer comment les instabilités hydrodynamiques interagissent avec la pression osmotique élevée à la surface de la membrane en raison de la polarisation de la concentration. Ce projet de recherche s'intéresse au couplage entre les instabilités hydrodynamiques et la pression osmotique liée à la formation d'une couche limite de concentration au niveau de la membrane. L'impact des instabilités hydrodynamiques sur le flux de filtration est étudié qualitativement et quantitativement ici. Les instabilités hydrodynamiques considérées sont celles observées dans l'écoulement Taylor-Couette, connues par vortex de Taylor. La configuration de Taylor-Couette est donc utilisée comme un modèle de systèmes RO. Pour aborder qualitativement et quantitativement les interactions entre le transfert de masse, les instabilités hydrodynamiques et la pression osmotique dans la cellule de Taylor-Couette, deux approches analytiques et numériques sont développées. L'approche analytique est basée sur une analyse de stabilité linéaire et faiblement non linéaire. L'analyse de stabilité linéaire est utilisée pour prédire les conditions critiques correspondant à l'apparition de structures tourbillonnaires sous l'effet de la pression osmotique. Il a été démontré que la pression osmotique liée au flux transmembranaire radial a un effet significatif sur la stabilité de l'écoulement. En développant la théorie faiblement non linéaire, des instabilités hydrodynamiques ont été identifiées utiles pour améliorer le débit de filtration malgré la présence de la pression osmotique. L'approche numérique est basée sur des simulations numériques directes (DNS) utilisant la méthode de collocation spectrale. DNS montre un excellent accord avec les prévisions analytiques pour la plupart des cas. De plus, elle permet de quantifier l'impact des instabilités sur le flux de perméat à travers les membranes. Les résultats démontrent l'augmentation du flux de perméat.  

      Jury: 

      Directeur de these M. Pierre HALDENWANG Aix Marseille Université / M2P2
      Directeur de these M. Denis MARTINAND Aix Marseille Université / M2P2
      Rapporteur Mme Cécile LEMAITRE LRGP, Université de Lorraine - ENSIC
      Rapporteur M. Innocent MUTABAZI Université le Havre Normandie
      Examinateur M. Nils TILTON Department of Mechanical Engineering, Colorado School of Mines
      Examinateur Mme Caroline GENTRIC Université de Nantes / GEPEA
      Jeudi 7 mai 2020 à 10h par vidéoconférence - Développement d’une méthodologie facilitant l’identification et l’évaluation de symbioses industrielles dans le secteur de l’industrie pétrochimique / Soutenance de thèse Hélène CERVO
      Doctorant : Hélène CERVO               
        
      Date de la soutenance :  jeudi 7 mai 2020 à 10h par vidéoconférence

      Résumé : 

      Les symbioses industrielles permettent de créer de nouvelles collaborations entre différentes entités d’un même territoire afin d’échanger des ressources telles que des matières premières, de l’énergie, de l’information et des déchets, et d’intensifier les mutualisations de services et d’infrastructures. Ces dernières années, de nombreuses mesures ont ainsi été prises, favorisant et encourageant de telles initiatives. Néanmoins, certaines problématiques perdurent encore quant à leur mise en place et à leur démocratisation. Cette thèse se concentre sur une des problématiques principales de la symbiose industrielle : le manque de partage des informations. Les travaux de recherche s’articulent donc autour de la question suivante :

      Comment formaliser l’échange d’informations entre partenaires industriels dans le but de faciliter la détection et l’évaluation des symbioses industrielles ?

      Le concept de blueprint est développé et proposé comme solution facilitant l’échange de données entre partenaires industriels. Le blueprint est une représentation générique d’un procédé industriel donné. Une méthodologie détaillée, décrivant la construction du blueprint, la définition des flux qu’il contient, ainsi que la visualisation des profils le constituant, est également présentée. Celle-ci est appliquée à un système industriel de grande envergure : une raffinerie, démontrant sa faisabilité. Enfin, plusieurs exemples d’utilisation du blueprint dans un contexte de symbiose industrielle sont développés. Ils permettent de comprendre dans quel cadre plusieurs blueprints peuvent être combinés, et mettent en évidence la pertinence de la méthode ainsi que les limites de son utilisation.    

      Jury: 

      Prof. François MARECHAL   / École Polytechnique Fédérale de Lausanne -> Président du jury
      Prof. Ronny VERHOEVEN   / Ghent University -> Vice président du jury
      Prof. Simon HARVEY / Chalmers University of Technolog-> Rapporteur
      Prof. Raphaële THERY HETREUX / INP Toulouse     -> Rapporteur
      Prof. Lieven VANDEVELDE  /  Ghent University  -> Rapporteur
      Prof. Olivier BOUTIN  /  Aix-Marseille Université  -> Examinateur
      Dr. Bernard DESCALES / INEOS -> Invité
      Dr. Solène LE BOURDIEC / EDF -> Invité
      Prof. Jean-Henry FERRASSE / Aix-Marseille Université -> Directeur de thèse
      Prof. Greet VAN EETVELDE  /  Ghent University -> Directeur de thèse
      Jeudi 19 Décembre 2019 - Simulating multiphase reactive flows: issues & techniques / Soutenance HDR Pierre BOIVIN
      Dr. Pierre BOIVIN                
        
      Date de la soutenance :  jeudi 19 décembre 2019 à 14h, dans l'amphithéâtre 3 de Centrale de Marseille / Plot 6

      Résumé :
      Je présenterai (en anglais) une sélection de travaux que j'ai réalisé ou dirigé depuis l'obtention de mon doctorat. Pour ce faire, je démarrerai par une introduction sur mon parcours, suivie d'une courte présentation entièrement subjective des challenges restants en modélisation des écoulements réactifs. Je tenterai enfin de donner quelques pistes de recherche permettant d'apporter une meilleure compréhension des phénomènes physiques en jeu. J'aborderai en particulier des questions de cinétique chimique, de thermodynamique, ou encore de méthodes numériques pour la mécanique des fluides.  

      Tuteur: 
      Pierre HALDENWANG

      Jury: 
      • Luc Vervisch, rapporteur,
      • Thierry Poinsot, rapporteur,
      • Vincent Giovangigli, rapporteur,
      • Elaine Oran, examinateur,
      • Pascale Domingo, examinateur,
      • Pierre Sagaut, examinateur,
      • Sergey Gavrilyuk, examinateur.
      Mardi 17 Décembre 2019 - Eco-design of a Dry Cleaning Machine by Integration of a Membrane Process for Solvent Dehydration / Soutenance de thèse Oleksandr DIMITROV
      Doctorant : Oleksandr DIMITROV               
        
      Date de la soutenance :  le 17 décembre 2019 à 10h30, Amphi 3, Centrale Marseille. 

      Résumé : la soutenance se tiendra à huit-clos

      Jury: 
      Denis ROIZARD                                    DR CNRS, LRGP, Nancy                             Rapporteur
      Boris KOSOY                                        Professeur, ONAFT, Odessa                        Rapporteur
      Ilham MOKBEL                                    MCF, Univ Lyon 1, Lyon                                 Examinatrice
      Isabelle RASPO                                    CR CNRS, M2P2, Marseille                          Examinatrice
      Sylvain MARC                                      PhD,  Arcane Industries, Géménos               Examinateur
      Pierrette GUICHARDON                     Professeur ECM, Marseille                             Directrice de thèse
      Evelyne NEAU                                     Professeur EM, Aix-Marseille Univ, Marseille   Invitée
      Olivier BAUDOUIN                             Ingénieur, PROSIM, Labège                               Invité
      Jacques JOSE                                      Professeur EM, Univ Lyon 1, Lyon                   Invité
      Alfred TESTA                                       Dirigéant, Innovaclean, Géménos                     Invité
      Mercredi 11 Décembre 2019 - Méthode d'optimisation multiobjectif de la conduite d'un réacteur nucléaire ; application à un RNR-Na fonctionnant avec un cycle de Brayton / Soutenance de thèse de Avent GRANGE
      Doctorant : Avent GRANGE                   
        
      Date de la soutenance :  Mercredi 11 Décembre 2019 à 10:00 ; Château de Cadarache, bâtiment N°901 Route de Vinon-Sur-Verdon, 13115 Saint-Paul-les-Durance

      Résumé de la thèse :
      La définition de la conduite d'un réacteur nucléaire permet à ce dernier d'atteindre des objectifs en termes de rendement thermodynamique, de manœuvrabilité, de durée de vie et de répondre à des exigences de sûreté. La méthode développée lors de ces travaux de thèse définit la conduite par la résolution d'un problème d'optimisation multiobjectif et contraint. Les variables de décision retenues pour résoudre ces problèmes sont les consignes, les actionneurs et les paramètres des systèmes de contrôle-commande associés aux régulations mises en oeuvre dans la conduite. L'espace de définition de ces variables de décision, nommé espace de recherche, est potentiellement de grande dimension. La recherche des conduites optimales dans cet espace nécessite alors un nombre de calcul élevé. La conduite d'un réacteur au cours d'un transitoire de fonctionnement normal, incidentel ou accidentel est modélisée par l'Outil de Calcul Scientifique (OCS) de thermohydraulique système CATHARE2. La durée d'exécution d'un calcul avec cet OCS étant longue, son utilisation pour résoudre le problème d'optimisation dans un temps raisonnable est inadaptée. La méthode développée réduit alors la dimension de l'espace de recherche et construit des modèles de substitution (métamodèles) à l'OCS CATHARE2 pour reproduire les objectifs et les contraintes en fonction des variables de décision. Ces métamodèles utilisent la structure de processus gaussiens conditionnés sur une base d'apprentissage de la variable à reproduire. Un couplage de ces modèles de substitution à un algorithme génétique permet de définir un ensemble de conduites réparties de manière homogène dans les zones optimales de l'espace des solutions. Les faibles erreurs de prédiction des métamodèles permettent alors d'approcher efficacement le front de Pareto. Deux applications de la méthode sont réalisées pour le réacteur ASTRID avec un cycle de Brayton pour le Système de Conversion d'Energie. La première optimisation atteste des capacités du SCE-gaz à évacuer la puissance résiduelle lors d'un incident de manque de tension externe. Ainsi, 34 conduites, bien réparties à travers le front de Pareto, définissent des compromis optimaux entre les temps d'atteinte de l'état d'arrêt à froid du réacteur et les gradients thermiques à travers la cuve principale du réacteur. La seconde application permet de définir un ensemble de conduites optimales lors d'un transitoire de réglage de fréquence. Ces conduites optimisent simultanément trois objectifs et assurent le respect de deux contraintes relatives à la qualité de la régulation de la puissance électrique produite à l'alternateur du réacteur. Les conduites optimales retenues représentent de manière homogène le front de Pareto et chacune de ces solutions est proche de la référence modélisée avec l'OCS CATHARE2. 

      Mots clés : Optimisation mutiobjectif, Processus gaussien, thermohydraulique, RNR-Na, Cycle de Brayton

      Jury

      Directeur de these M. Jean-Henry FERRASSE Aix Marseille Université, CNRS, Centrale Marseille
      Rapporteur M. Jean BACCOU IRSN
      Rapporteur Mme Elsa MERLE PHELMA
      CoDirecteur de these M. Olivier BOUTIN Aix Marseille Université, CNRS, Centrale Marseille
      Examinateur M. Abderrazak LATIFI Université de Lorraine
      Examinateur Mme Amandine MARREL Commissariat à l'Energie Atomique et aux Energies Alternatives

      Mercredi 11 Décembre 2019 - Elaboration de dispositifs médicaux ophtalmiques à libération contrôlée de médicaments par imprégnation supercritique / Soutenance de thèse de Kanjana ONGKASIN
      Doctorant : Kanjana ONGKASIN                   
        
      Date de la soutenance :  Mercredi 11 Décembre 2019 à 14h30, amphithéâtre du  Cerege - Technopôle de l'Arbois-Méditerranée

      Résumé de la thèse :
      Les technologies utilisant le CO2 supercritique sont considérées comme des alternatives écologiques et éco-responsables pour la formulation de médicaments et le traitement de dispositifs médicaux. Ce travail de thèse a pour objectif de développer des dispositifs médicaux ophthalmiques innovants pour prévenir deux complications postopératoires de la chirurgie de la cataracte, l'endophtalmie et l'opacification de la capsule postérieure. Parmi d'autres procédés, l'imprégnation supercritique a été sélectionnée pour incorporer des principes actifs ophtalmiques dans des implants intraoculaires disponibles dans le commerce et largement utilisés dans la chirurgie de la cataracte. Une action ciblée des médicaments avec une libération prolongée directement dans les zones potentiellement affectées peut être atteinte sans nécessiter d'interventions médicales supplémentaires. L'imprégnation supercritique d'implants intraoculaires acryliques hydrophobes et souples a été étudiée en faisant varier les conditions opératoires de pression (8 à 25 MPa), de température (308 à 328 K) et de durée (30 à 240 min). L'influence de l'utilisation de l'éthanol comme co-solvant a également été évaluée. La cinétique de relargage du médicament in-vitro a été suivie pour déterminer les taux d'imprégnation. Afin de rationaliser l'influence des phénomènes concomitants gouvernant l'imprégnation, les comportements thermodynamiques des systèmes impliqués, polymère / CO2 et médicament / CO2, ont été étudiés. L'évolution de la sorption de CO2 dans les implants intraoculaires et leur gonflement correspondant ont été suivis en ligne par micro-spectroscopie IRTF, permettant ainsi également de déterminer le temps nécessaire pour atteindre l'équilibre thermodynamique de sorption. La solubilité des principes actifs dans le CO2 supercritique a été mesurée à l'aide d'une méthode analytique dynamique ou calculée en utilisant des modèles semi-empiriques prenant en compte la masse volumique de la phase fluide, modèles validés dans la littérature dans les plages expérimentales de pression et de température étudiées dans le procédé d'imprégnation. Les coefficients de partage des principes actifs entre la phase fluide et les implants intraoculaires ont également été évalués. Des taux d'imprégnation jusqu'à 1,07 µg.mg-1IOL et 0,74 µg.mg-1IOL ont été obtenus dans les implants imprégnés respectivement avec la gatifloxacine et le méthotrexate avec un relargage sur plusieurs semaines. L'implantation ex-vivo d'implants imprégnés de méthotrexate dans des sacs capsulaires de donneurs humains ont montré une réduction de fibrose par inhibition de la transformation épithélio-mésenchymateuse, soulignant le potentiel clinique des implants intraoculaires à libération continue innovants développés.    

      Mots clés : Imprégnation supercritique, Systèmes à libération contrôlée de médicaments, Dispositifs médicaux ophtalmiques, Implants intraoculaires imprégnés, Endophtalmie, Opacification de la capsule postérieure 

      Jury
      Directeur de these Mme Elisabeth BADENS Aix-Marseille Université
      Directeur de these Mme Yasmine MASMOUDI Aix-Marseille Université
      Rapporteur Mme Feral TEMELLI Université de l’Alberta
      Rapporteur M. Casimiro MANTELL Université de Cádiz
      Examinateur M. Martial SAUCEAU Ecole des mines d’Albi
      Examinateur M. Thierry TASSAING Université de Bordeaux
      Membres invités : Dr. Michel JULIEN (Green Chem Scientific) et Dr. Arnaud RIGACCI (Mines-Paris Tech)
      Mardi 10 Décembre 2019 - L'ultrafiltration pour une meilleure maîtrise de la qualité de l'eau dans les écloseries et nurseries conchylicoles / Soutenance de thèse de Clémence CORDIER
      Doctorant : Clémence CORDIER                   
        
      Date de la soutenance :  Mardi 10 Décembre 2019 à 10:00 , amphithéâtre du  Cerege - Technopôle de l'Arbois-Méditerranée

      Résumé de la thèse :
      La profession conchylicole est une activité phare du littoral français. Les écloseries et nurseries, qui produisent des huîtres au stade naissain pour les vendre aux professionnels proposent une méthode de culture alternative en conditions contrôlées avec la possibilité de maîtriser la qualité des eaux entrantes et sortantes. Au sein de ces établissements, le traitement de l'eau devient donc un sujet essentiel pour le maintien d'huîtres géniteurs, les élevages larvaires et la production de microalgues fourrages. L'objectif de la thèse est de développer l'ultrafiltration pour le traitement de l'eau dans ces structures avec le but d'éliminer en amont les agents pathogènes et les parasites pour la pérennisation des espèces et des cultures, mais aussi pour le traitement de l'eau en aval qui doit aussi viser l'inactivation de tout matériel biologique non endémique dans les zones de production concernées. La fiabilité et la robustesse de l'ultrafiltration ont été éprouvées à l'échelle semi industrielle et validées sur les différentes matrices testées en optimisant les conditions opératoires, de nettoyage mais aussi par l'utilisation d'un rétrolavage essoré. Une biosécurisation des élevages est réalisée avec (i) la protection des animaux du stade larvaire à adulte vis-à-vis d'agents pathogènes (virus OsHV1 et bactérie Vibrio aestuarianus) (ii) la rétention des gamètes d'huîtres dans les effluents, potentiellement à risque pour le milieu marin, (iii) la mise en place d'un circuit d'eau purifiée réutilisée au sein même des structures conchylicoles. La production d'algues a également été améliorée par l'ultrafiltration permettant d'envisager un transfert de technologie vers l'industrie.    

      Mots clés : Ultrafiltration, Conchyliculture, Biosécurisation, Réutilisation des eaux
      Jury
      Directeur de these M. Philippe MOULIN Université Aix Marseille - M2P2
      CoDirecteur de these M. Christophe STAVRAKAKIS Plateforme expérimentale Mollusques Marins de Bouin - Ifremer
      Rapporteur Mme Camille SAUREL DTU Aqua - Danish Shellfish Centre
      Rapporteur M. Romain KAPEL LRGP
      Examinateur Mme Emmanuelle ROQUE D'ORBCASTEL Laboratoire Environnement Ressources Languedoc Roussillon - Ifremer
      Examinateur M. Anthony MASSé Gepea
      Vendredi 6 Décembre 2019 - Traitement d’effluents complexes et de polluants émergeants par couplage d’un procédé d’OVH et d’un procédé biologique / Soutenance de thèse de Dan FENG
      Doctorant : Dan FENG                 
        
      Date de la soutenance :  Vendredi 6 Décembre 2019 à 10:00 , amphithéâtre du  Cerege - Technopôle de l'Arbois, Aix en Provence

      Résumé de la thèse :
      Le couplage d’une oxydation en voie humide (OVH) et d’un traitement biologique a été étudié pour traiter les eaux usées (industrielles) contenant du glyphosate, un herbicide largement utilisé dans le monde. Afin d'évaluer les performances du procédé couplé, les performances de l’OVH seule puis du procédé biologique de traitement des eaux usées contenant du glyphosate ont été examinées. Tout d'abord, des expériences ont été menées pour évaluer l'hydrodynamique des bulles dans une colonne à bulles dans les conditions de l’OVH, afin de prédire le transfert de masse et de facilicter l’extrapolation du procédé. Deuxièmement, une étude cinétique a été réalisée pour déterminer les paramètres cinétiques de l'oxydation du glyphosate par le procédé OVH et une voie d'oxydation possible a été proposée. De plus, un dispositif microfluidique a été utilisé dans le procédé OVH pour traiter en continu les eaux usées contenant du glyphosate dans un système compact et efficace. En outre, afin d'améliorer la biodégradation du glyphosate par les boues activées, un processus d'acclimatation a été étudié et la cinétique de biodégradation du glyphosate par des boues activées acclimatées a été étudiée, ainsi que son éventuelle voie de biodégradation. Enfin, les effluents préoxydés ont ensuite été traités par les boues activées acclimatées afin de conclure à la faisabilité du procédé couplé.   

      Mots clés : Polluants émergeants, glyphosate, oxydation en voie humide, traitement biologique, voie de dégradation.

      Jury

      M. Juan GARCIA SERNA

                   Professeur, Valladolid Université

           Rapporteur

      M. J. Marc CHOUBERT

                   Directeur de Recherche, IRSTEA

           Rapporteur

      M. Eric SCHAER

                   Professeur, ENSIC

           Examinateur

      Mme Laure MALLERET

                   Maître de conférences, AMU

           Examinatrice

      M. Olivier BOUTIN

                   Professeur, AMU

          Directeur de thèse

      Mme Audrey SORIC

           Maître de conférences, Centrale Marseille

      Co-directrice de thèse

      Mercredi 4 Décembre 2019 - Etude des méthodes lattice Boltzmann pour les simulations de systèmes d'air secondaires de turbomachines / Soutenance de thèse de Gauthier WISSOCQ
      Doctorant : Gauthier WISSOCQ 

      Date de la soutenance : Mercredi 4 décembre 2019 à 10:00,  CERFACS 42 Avenue Gaspard Coriolis, 31100 Toulouse / Salle Jean-Claude André 

      Résumé de la thèse :
      Ces dernières décennies, l'optimisation du rendement des turbomachines s'est traduite par une augmentation constante de la température d'air en veine primaire. Des températures élevées pouvant avoir des effets néfastes sur la durée de vie du moteur en raison de charges thermiques trop importantes ou de jeux mal contrôlés, un système de refroidissement efficace et bien dimensionné est indispensable. C'est notamment le rôle du circuit de bore cooling, composé d'une succession de cavités tournantes, dans lesquelles une compétition a lieu entre les forces d'inertie, les gradients de température et la convection forcée induite par un jet axial. Ces phénomènes donnent naissance à des écoulements instationnaires complexes, non-axisymmétriques et de périodicité a priori inconnue. La simulation de tels écoulements représente un défi majeur pour la modélisation numérique, nécessitant des codes adaptés aux calculs instationnaires longs et tridimensionnels. Cette thèse se consacre à l'étude d'une méthode numérique particulière pour la simulation de tels écoulements : la méthode de Boltzmann sur réseau, ou lattice Boltzmann method (LBM), qui possède les avantages d'être intrinsèquement instationnaire, relativement rapide et parfaitement adaptée aux géométries tridimensionelles complexes. Dans un premier temps, une étude des instabilités apparaissant dans les cavités tournantes soumises à des gradients de température radiaux est proposée. Des analyses de stabilité linéaire sont appliquées à des cas de géométries annulaires représentatives des plans axiaux des cavités tournantes. Elles permettent de déterminer la structure de l'écoulement en régime linéaire ainsi que les nombres de Rayleigh et Reynolds critiques d'apparition d'instabilités. Néanmoins, ces analyses ne permettent pas de rendre compte des effets non linéaires du cycle limite qui nécessitent une méthode adaptée. La suite de la thèse se consacre au potentiel de la LBM pour de telles simulations. Une étude fine des instabilités numériques pouvant survenir dans les conditions d'application de la méthode est proposée. Une méthodologie particulière développée durant cette thèse, basée sur l'approche de von Neumann, permet d'identifier clairement les ondes propagées par le schéma et souligne les phénomènes numériques à l'origine des instabilités. Cette étude met en évidence l'effet de nombreux paramètres sur la stabilité numérique tels que le choix du lattice et du modèle de collision. Une analyse proposée sur les modèles régularisés souligne deux propriétés fondamentales de ces schémas qui ont une grande influence sur la stabilité numérique en écoulement subsonique. Des applications de la LBM aux écoulements de cavités tournantes sont finalement réalisées. Le logiciel commercial PowerFLOW, seul code LBM suffisamment mature pour des modélisations de gaz parfait, est utilisé. Le code est évalué sur des cas académiques de complexité croissante (cavité bidimensionnelle, cavité fermée et cavité tournante avec flux d'air de refroidissement) et comparé aux résultats d'analyse linéaire, à des calculs issus de la littérature et à des données expérimentales. Une configuration multi-étagée est enfin simulée, pour laquelle un couplage à flux de chaleurs conjugués est réalisé afin de rendre compte des transferts radiatifs et exploiter au mieux les données d'essai. Les résultats soulignent de très bonnes estimations des profils de température, indiquant une bonne modélisation des phénomènes complexes contribuant aux échanges thermiques. 

      Mots clés : LBM,Lattice-Boltzmann,turbomachines,cavités tournantes

      Jury
      Directeur de these M. Pierre SAGAUT Aix Marseille Université
      Rapporteur M. Florian DE VUYST Université de Technologie de Compiègne
      Rapporteur M. Tony ARTS Von Karman Institute for Fluid Dynamics
      Examinateur Mme Françoise BATAILLE Université de Perpignan
      Examinateur M. Nicolas GOURDAIN ISAE-Supaero
      Mardi 2 Décembre 2019 - Synergie entre turbulence et écoulements en configuration divertor – introduction d’éléments de la physique de la turbulence dans les codes de transport / Soutenance de thèse de Serafina BASCHETTI
      Doctorant : Serafina BASCHETTI                  
        
      Date de la soutenance :  Jeudi 2 Décembre 2019, Salle René Gravier  CEA IRFM Saint Paul Lez Durance 13108

      Résumé de la thèse :
      L’opération du réacteur à fusion de prochaine génération, ITER, nécessitera le développement d'outils  numériques  fiables  permettant  d'estimer  les  paramètres  clés  de  fonctionnement  à  un  coût de calcul raisonnable. Les codes de transport répondent à cette exigence car ils reposent sur  des  équations  fluides  bidimensionnelles,  moyennées  sur  les  fluctuations  temporelles,  simulant  les  grandes  échelles  temporelles  de  la  même  manière  que  les  modèles  «  Reynolds  Averaged  Navier-Stokes  »  couramment  utilisés  dans  la  communauté  des  fluides  neutres.  De  plus, les codes de transport peuvent rassembler la plupart des ingrédients physiques régissant le comportement du plasma de bord (topologie magnétique, géométrie et réponse de la paroi...). Cependant,  leur  prévisibilité  est  limitée  par  une  description  inadéquate  des  flux  turbulents  perpendiculaires aux lignes de champ magnétique. En effet les flux perpendiculaires, supposés diffusifs, sont grossièrement déterminés par des coefficients de diffusion homogènes "adhoc" ou empiriques. Pour inclure de l’information sur la turbulence et améliorer la prédictibilité de ces modèles,  nous  présentons  dans  ce  travail  un  nouveau  modèle  pour  estimer  de  manière  cohérente  la  distribution  des  flux  perpendiculaires  dans  les  codes  de  transport.  La  stratégie consiste à introduire en physique des plasmas des outils numériques efficaces largement utilisés dans la communauté de la turbulence en fluides neutres, en particulier le modèle "kepsilon" dans lequel sont introduites des équations de transport pour l'énergie turbulente cinétique moyenne « k » et le taux de dissipation de l’énergie turbulente « epsilon ». Ces équations semi-empiriques dérivées pour les fluides neutres ne peuvent pas être appliqués directement pour la modélisation des flux perpendiculaires dans les plasmas en raison de différentes propriétés de turbulence. Par conséquent, nous suggérons une adaptation du modèle k-epsilon pour les plasmas à confinement magnétique, où deux équations de transport pour l’énergie cinétique turbulente et son taux de dissipation  sont  dérivées  algébriquement,  incluant  la  physique  de  l’instabilité  d’interchange,  responsable de la distribution "ballonnée" du transport perpendiculaire dans le plasma de bord. Différentes approches empiriques sont décrites pour fermer les paramètres libres, notamment via  l’utilisation  de  lois  d’échelle  multi-machines.  Le  nouveau  modèle  est  intégré  au  code  de  transport SolEdge2D-EIRENE, développé en collaboration entre le CEA et le laboratoire M2P2 de l'Université  d'Aix-Marseille.  Les  résultats  numériques  sont  discutés  et  comparés  aux  données  expérimentales sur WEST et TCV. 

      Jury
      Monsieur Eric SERRE, Directeur de Recherche, Laboratoire M2P2/AMU, Marseille, France.
      Madame Martine BAELMANS, Professeur, Université Catholique de Leuven, Belgique.
      Monsieur Ulrich STROTH, Professeur, Max- Planck- Institut Fur Plasmaphysik, Allemagne.
      Monsieur David MOULTON, Docteur, UKAEA Culham, Royaume Uni.
      Monsieur Philippe GHENDRIH, Professeur, CEA Cadarache, France.
      Monsieur Hugo BUFFERANDDocteur, CEA Cadarache, France
      Lundi 18 Novembre 2019 - Optimisation de filières de traitements des eaux par couplage de procédés physico-chimiques, thermiques et biologiques / Soutenance de thèse de Kelly OHANESSIAN
      Doctorant : Kelly OHANESSIAN 

      Date de la soutenance : Lundi 18 Novembre 2019 à 14:00 ,  Technopôle de l'Arbois-Méditerranée, 13545 Aix-en-Provence / Amphithéâtre CEREGE 

      Résumé de la thèse :
      La modélisation, la simulation et l'optimisation de différentes filières de traitement des eaux usées industrielles par la méthode du couplage de procédés ont été étudiées afin de comparer leurs performances épuratoires, d'une part, et d'évaluer les dépenses énergétiques et économiques associées. Pour cela, trois effluents caractéristiques de l'industrie microélectronique ont été sélectionnés : les effluents d'acides fluoré et phosphoré (AFP) ainsi que les effluents provenant des procédés des polissage des micropuces de Tungstène (CMP W) et de Cuivre (CMP Cu). Dans un premier temps, une étude bibliographique a permis de déterminer les données d'entrées de chacune des filières étudiées (débits, composition) ainsi que les procédés de traitement conventionnels employés. Les filières de traitement classiques des trois effluents sélectionnés ont ensuite été simulées sur ProSimPlus®. A partir des fonctionnalités disponibles du logiciel (modules, constituants, modèle thermodynamique), certains procédés ont été modélisés à partir de données physiques, chimiques et cinétiques issues de la littérature : Oxidation de Fenton, adsorption, échange ionique sur résine, ultrafiltration ; ou développés comme le module de cristallisation. Dans un second temps, de nouvelles filières de traitement ont été proposées pour chacun des effluents considérés. Le couplage d'un procédé d'OVH aux procédés de précipitation, d'ultrafiltration et d'échange ionique sur résine a été proposé pour l'optimisation de la filière CMP Cu. Ce couplage a montré de fortes performances épuratoires permettant premièrement, de s'affranchir de l'étape d'adsorption qui était le point noir de la filière CMP Cu, deuxièmement, de réduire la consommation en produits chimiques et troisièmement de rejeter l'effluent en milieu naturel. Le bilan économique réalisé sur les filières CMP Cu conventionnelle et alternative a montré que la filière CMP Cu alternative permet non seulement une nette économie sur la consommation en produits chimiques mais également une production de chaleur non négligeable, qui convertie en électricité, pourrait engendrer un revenu annuel conséquent. Cinq configurations AFP différentes ont été proposées faisant intervenir des couplages entre des procédés physico-chimiques de précipitations et des procédés de traitement biologiques. Un procédé à boues activées ainsi qu'un procédé à biofilm sur membrane aérée ont été modélisés à partir de données hydrodynamiques et cinétiques tirées de la littérature et intégrés sur ProSimPlus®. Les différents couplages proposés montrent des performances épuratoires intéressantes permettant de rejeter l'effluent soit en milieu naturel soit en zone sensible. D'autre part, la valorisation de sous-produits de précipitation (Struvite et CaF2) a permis de réaliser des bénéfices. Cependant, la pureté de l'hydroxyapatite obtenue est très faible (44,8%), par la présence de fluorapatite au sein du même cristalliseur, et ne peut être valorisée sans l'ajout d'un cristalliseur supplémentaire. Finalement, le bilan économique sur le couplage des filières CMP Cu alternative et CMP W a montré que cette configuration était intéressante des points de vue des dépenses en produits chimiques et de la production potentielle d’électricité permettant ainsi une économie de près de 1,44 M par rapport aux filières séparées. 

      Mots clés : traitement de l'eau, procédés, optimisation, simulation

      Jury
      Directeur de these M. Olivier BOUTIN Aix Marseille Université
      CoDirecteur de these M. Cristian BARCA Aix Marseille Université
      Examinateur Mme Audrey SORIC Ecole Centrale Marseille
      Examinateur M. Jean-Henry FERRASSE Aix Marseille Université
      Rapporteur Mme Marie Noëlle PONS Laboratoire Réactions et Génie des Procédés, CNRS-Univ. de Lorraine
      Rapporteur M. Florent CHAZARENC Irstea – UR REVERSAAL
      Examinateur Mme Raphaële Thery HETREUX ENSIACET CAMPUS INP – ENSIACET
      Examinateur M. Denis BOUYER Institut Européen des Membranes - Université de Montpellier
      Mercredi 30 Octobre 2019 - Vers un modèle prédictif pour reproduire les transitions de régime dans les écoulements gaz-liquide dans le code Neptune_CFD: d'un régime dispersé à un régime séparé / Soutenance de thèse de Emmanuel Vianney KUIDJO
      Doctorant : Emmanuel Vianney KUIDJO

      Date de la soutenance : Mercredi 30 Octobre 2019 à 14:00, Amphithéâtre de l'INSTN, CEA Saclay

      Résumé de la thèse :
      Dans les réacteurs nucléaires, différents régimes d'écoulements gaz-liquide peuvent apparaître avec des transitions entre eux. La modélisation de ces transitions dans les codes CFD 3D requière le traitement d'interfaces déformables de différentes tailles, la prise en compte d'interactions par coalescence et fragmentation ainsi que le développement de lois de fermeture indépendantes du régime. Ce travail vise la modélisation et la simulation de l'hydrodynamique des écoulements gaz-liquide adiabatiques grâce à un modèle bifluide à trois champs dans NEPTUNE_CFD. Dans une première étape, un modèle avec un champ liquide continu et deux champs de gaz dispersés représentant petites et grandes bulles est utilisé pour simuler des écoulements cap et churn avec un taux de vide jusqu'à /actualites-298/soutenances-de-these-et-hdr-m2p2-457.htm.5$ et une emphase est mise sur la prédiction de l'aire interfaciale. Dans une seconde étape, le deuxième champ dispersé est remplacé par un champ hybride continu/dispersé représentant les grandes bulles et les régions continues de gaz. Le modèle est validé sur plusieurs régimes d'écoulements en tuyaux de large diamètre et dans des canaux rectangulaires confinés. 

      Mots clés : écoulements gaz-liquide, régimes d'écoulement, modèle bifluide multichamp, équation de transport de l'interfaciale, NEPTUNE_CFD

      Jury
      Directeur de these M. Pierre SAGAUT Aix Marseille Université / M2P2
      Rapporteur M. Eric GONCALVES École Nationale Supérieure de Mécanique et d'Aérotechnique (ENSMA)
      Rapporteur Mme Maria Vittoria SALVETTI Université de Pise
      CoDirecteur de these M. Rémi ABGRALL Université de Zürich / Institut de Mathématiques
      Examinateur Mme Maria Giovanna RODIO CEA Saclay
      Examinateur M. Marc MASSOT Ecole Polytechnique / Centre de Mathématiques Appliquées
      Vendredi 20 Septembre 2019 - Méthodes numériques alignées pour problèmes elliptiques anisotropes en domaines bornés pour simulations du plasma de bord / Soutenance de thèse de Juan Antonio SOLER VASCO
      Doctorant : Juan Antonio SOLER VASCO

      Date de la soutenance : 20 septembre 2019, à 13h30 / Amphithéâtre 3, Centrale de Marseille, 38 rue Frédéric Joliot Curie, 13013 Marseille 

      Résumé de la thèse :
      Les problèmes elliptiques hautement anisotropes se présentent dans de nombreux modèles physiques qui doivent être résolus numériquement. Une direction de diffusion dominante est alors introduite (appelée ici direction parallèle) le long de laquelle le coefficient de diffusion est plusieurs ordres de grandeur plus grands que dans la direction perpendiculaire. Dans ce cas, les méthodes aux différences finies standard ne sont pas conçues pour fournir une discrétisation optimale et peuvent conduire à une diffusion perpendiculaire artificielle potentiellement importante, résultant d’erreurs dans l’approximation de la diffusion parallèle.
      Cette thèse se concentre sur trois axes principaux pour résoudre les équations elliptiques anisotropes de manière appropriée : un schéma aligné et conservatif de différences finies pour discrétiser l’opérateur Laplacien, une reformulation de l’équation de Helmholtz pour réduire la diffusion numérique, et un solveur basé sur les méthodes multi-grille comme préconditionneur d’un solveur GMRES.
      Les deux premiers chapitres sont consacrés à la présentation du cadre de cette thèse.
      Au chapitre 1, une brève introduction à la fusion par confinement magnétique est présentée, identifiant les problèmes numériques soulevés par la résolution des équations fluides, en particulier dans la région proche au bord (Scrape-Off-Layer). Le problème numérique que nous allons traiter est essentiellement un problème elliptique anisotrope où la diffusion est de 5 à 8 ordres de grandeur plus grande dans la direction parallèle que dans la direction perpendiculaire.
      Dans le chapitre 2, une introduction bibliographique aux méthodes numériques résolvant les équations elliptiques anisotropes est présentée, avec un accent sur les méthodes aux différences finies.
      Dans le chapitre 3, un schéma de discrétisation aligné est proposé en utilisant des grilles cartésiennes non alignées. Selon la méthode Support Operator Method (SOM), la propriété d’autoajoint de l’opérateur de diffusion parallèle est maintenue au niveau discret. Par rapport aux méthodes existantes, la formulation actuelle garantit la conservation des flux dans des directions parallèles et perpendiculaires. De plus, dans les domaines bornés, une discrétisation des conditions aux limites est présentée afin d’assurer une précision comparable de la solution. Des tests numériques basés sur des solutions manufacturées montrent que la méthode est capable de fournir des approximations numériques précises et stables dans des domaines périodiques et bornés avec un nombre considérablement réduit de degrés de liberté par rapport autres approches non aligneés.
      Une reformulation de l’équation de Helmholtz est présentée au chapitre 4 pour limiter la diffusion numérique liée à la discrétisation du Laplacien pour les valeurs élevées de diffusion parallèle. La méthode est basée sur la séparation de la solution en une partie alignée et non alignée, par rapport à l’opérateur de diffusion parallèle, gr\^ace à des méthodes de filtrage. Les cas de tests montrent que cette reformulation de l’équation de Helmholtz élimine la diffusion perpendiculaire numérique, avec une efficacité d’autant plus accrue que les valeurs de diffusivité parallèle sont élevées.
      Afin de résoudre efficacement les équations anisotropes elliptiques pour les grands systèmes d’équations, un solveur itératif basé sur des algorithmes multi-grilles géométriques est proposé au chapitre 5. Cet algorithme est plus tard posé comme préconditionneur d’un solveur GMRES, exhibant une réduction drastique du temps et de la mémoire requise par rapport à des solveurs directs résolvant les équations Helmholtz et Poisson, et ce pour différents types de conditions aux limites.
      La thèse est conclue par une analyse critique des aspects numériques des discrétisations alignées étudiées. Une attention particulière est accordée à l’application des méthodes étudiées dans les codes de turbulence plasma 3D, tels que TOKAM3X développé par le CEA.


      Jury
      Monsieur Bruno DESPRES, Professeur, CNRS / Laboratoire Jacques Louis Lions, Université Pierre et Marie Curie, Paris, France.
      Monsieur Sergio AMAT PLATA, Professeur, Universidad Politécnica de Cartagena, Espagne.
      Madame Francesca RAPETTI, Maître de Conférences, Université de Nice Sophia Antipolis, Nice, France.
      Monsieur Éric SERRE, Directeur de Recherche, CNRS / M2P2, Marseille, France.
      Monsieur Frédéric SCHWANDER, Maître de Conférences, M2P2/École Centrale de Marseille, France.
      Monsieur Jacques LIANDRAT, Professeur, I2M/ École Centrale de Marseille, France.
      Membres invités
      Monsieur Giorgio GIORGIANI, M2P2, Marseille, France.
      Monsieur Patrick TAMAIN, IRFM-CEA Cadarache, St. Paul-lez-Durance, France
      Jeudi 11 Juillet 2019 - Etude du Procédé Hydrothermal dédié aux traitement des déchets amiantés / Soutenance de thèse de Christ Terence NZOGO METOULE
      Doctorant : Christ Terence NZOGO METOULE

      Date de la soutenance : Jeudi 11 Juillet 2019 / 24 rue Joseph Fourier, 38400 Saint Martin d'Hères, Grenoble 

      Résumé de la thèse :
      L'objectif de ce travail de doctorat est de démontrer la faisabilité de convertir des amiantes pures (chrysotile, amosite, crocidolite) et un matériau contenant de l'amiante (tuile en amiante ciment) en matériaux non dangereux via le traitement hydrothermal supercritique (400 ≤ T ≤ 750°C et P ≥ 21 MPa). Les expériences sont réalisées dans un réacteur fermé haute pression (30 MPa) et haute température (800°C) en inconel, conçu pour cette étude. Les conditions de température, concentration initiale et durée de traitement pour réaliser la destruction de l'amiante, observée en DRX, ont été obtenues à partir d'une étude paramétrique (T=750°C, t ≥ 1h et C ≥ 2.10-2 mg.mL-1). Les essais ont ensuite montré que la variété chrysotile et la tuile en amiante ciment sont transformés, respectivement en forstérite, qui peut évoluer en enstatite pour le premier et en un mélange de calcite, gehlenite et spurrite pour le second après une heure de traitement hydrothermal (analyses DRX, META). Dans le même temps, l'analyse META montre qu'aucune fibre de crocidolite n'est détectée après 3h de traitement pour une concentration initiale de 2.10-2 mg.mL-1 tandis que l'analyse DRX révèle le maintien de la structure asbestiforme à une la concentration de 20 mg.mL-1, pour la même durée de traitement. Aucun effet n'a été observé sur la structure cristalline des fibres d'amosite. Dans tous les cas, la persistance de résidus microparticulaire (structures allongées) fragilisés de 200 à 400nm (MEB) de longueur supérieure à 5 µm est observée. Un post-traitement aux ultrasons a été appliqué dans le but d'améliorer la fragmentation des structures allongées. Les analyses MEB appliquées à la méthode de comptage des particules montrent une diminution de 27 µm à 6 µm après post-traitement. Finalement, une première étude énergétique sur le procédé hydrothermal donné de premiers éléments sur son intérêt à l'échelle industrielle et sa viabilité à long terme par rapport au procédé à torche à plasma. Des travaux supplémentaires de confirmation des résultats sur la fragmentation des structures allongées doivent être menés. Des études énergétiques plus développées sont également nécessaire pour positionner le procédé. 

      Mots Clés : Hydrothermal, Amiante, Déchets, Procédés, Supercritique

      Jury
      Directeur de these M. Olivier BOUTIN                         Aix Marseille Université
      Examinateur         Mme Séverine CAMY                                ENSIACET
      Rapporteur         Mme Elsa WEISS-HORTALA                IMT Mines Albi-Carmaux
      CoDirecteur de these M. Jean Henry FERRASSE Aix Marseille Université
      Examinateur M. Stéphane DELABY                         Centre Scientifique et Technique du Bâtiment
      Rapporteur M. Sylvain FAURE                                 CEA - Marcoule
      Vendredi 5 Juillet 2019 - Modélisation numérique de la dynamique de particules molles en microcanaux / Soutenance de thèse de Jinming LYU
      Doctorant : Jinming LYU

      Date de la soutenance : Vendredi 5 Juillet 2019 à 14h00, Amphi 3A, Centrale Marseille 

      Résumé de la thèse :
      Une vésicule est un système modèle utilisé pour comprendre le comportement dynamique en écoulement d’une particule molle fermée telle qu’un globule rouge. La membrane bicouche lipidique inextensible d’une vésicule admet une résistance d’élasticité en flexion. Lorsque dégonflée, c’est-à-dire pour un grand rapport surface sur volume, une vésicule présente des changements de formes remarquables. Des progrès significatifs ont été réalisés au cours des dernières décennies dans la compréhension de leur dynamique en milieu infini. Ce manuscrit s’intéresse à la transition de formes et à la migration latérale d’une vésicule dans des écoulements confinés. L’approche est numérique, basée sur une méthode aux éléments finis de frontière (BEM) isogéométrique. Partant d’une version existante pour les écoulements de Stokes non confiné, un code original est développé pour prendre en compte les parois de microcanaux de section transversale arbitraire. L’essentiel des études porte sur la dynamique d’une vésicule transportée par un écoulement de Poiseuille dans une conduite de section circulaire. Tout d’abord, nous examinons les formes typiques des vésicules, les différents modes de migration latérale et la structure de l’écoulement des lipides dans la membrane, en fonction des trois paramètres sans dimension caractéristiques : le volume réduit, le confinement et le nombre capillaire (de flexion). Les transitions de forme et le diagramme de phase de formes stables pour plusieurs volumes réduits sont obtenus dans l’espace (confinement, nombre capillaire). Ils montrent une extension de l’ensemble des morphologies de la vésicule. L’interaction complexe entre la paroi du tube, les contraintes hydrodynamiques et l’élasticité de flexion de la membrane conduit à une dynamique bien plus riche. Nous étudions ensuite, via une version axisymétrique du modèle, le comportement de la vésicule lorsque des conditions de confinement deviennent sévères et imposent des formes de vésicule axisymétriques. Un accent particulier est mis sur la prédiction de la mobilité de la vésicule et de la perte de charge additionnelle induite par la présence de la vésicule. Cette dernière est importante pour comprendre la rhéologie d’une suspension diluée. De plus, sur la base des résultats numériques du comportement proche du confinement maximal, nous établissons plusieurs lois d’échelle portant sur la vitesse de la vésicule et sa longueur, ainsi que sur l’épaisseur du film de lubrification. Enfin, nous présentons un modèle hybride BEM–coarse-graining permettant d’adjoindre un cytosquelette à une vésicule pour étendre nos études au cas des globules rouges. La modélisation coarse-graining du cytosquelette repose sur un réseau de ressorts identifié à l’ensemble des arêtes du maillage d’éléments finis de la membrane de la vésicule. Les résultats numériques montrent que ce modèle à deux composants vésicule–cytosquelette est capable d’extraire les propriétés mécaniques des globules rouges et de prédire sa dynamique dans les écoulements de fluide.

      Jury
      Annie VIALLAT   DR CNRS, CINaM, Marseille    Présidente
      Chaouqi  MISBAH    DR CNRS, LIPhy, Grenoble   Rapporteur
      Franck NICOUD   PR Univ. de Montpellier, Montpellier   Rapporteur
      Marc LEONETTI   CR CNRS, LRP, Grenoble   Examinateur 
      Marc JAEGER   PR ECM, Marseille   Directeur de thèse
      Paul G. CHEN   CR CNRS, M2P2, Marseille   Co-Directeur de thèse
      Mardi 2 Juillet 2019 - Physique et modélisation du comportement des feux de forêts / Soutenance de thèse de Nicolas FRANGIEH
      Doctorant : Nicolas FRANGIEH

      Date de la soutenance : Mardi 2 Juillet 2019 à 10h30 /  Centrale Marseille, Amphithéâtre 3 

      Résumé de la thèse :
      La suppression des feux de forêt nécessite une bonne connaissance des mécanismes physiques régissant le comportement du feu (ignition, croissance initiale, propagation). En tant qu’outil complémentaire à la recherche expérimentale, la modélisation des feux de forêt est considérée comme une approche intéressante pour progresser sur la connaissance des différents processus rencontrés dans les feux de forêt.

      Ce travail de recherche est dédié à l’étude numérique du comportement des feux se propageant librement à travers un couvert végétal homogène (depuis l’ignition jusqu’à la propagation), à l'aide du modèle "FireStar3D". Différentes configurations sont abordées dans cette thèse : les feux de litière réalisés à l’échelle du laboratoire en milieu confiné (dans le tunnel à feu du laboratoire de Missoula), et à plus grande échelle, les feux de prairie où deux types de ligne d’allumage ont été considérés (ligne de longueur finie et quasi-infinie). Les simulations ont été réalisées à l'aide de deux modèles de turbulence : le modèle k-e des équations de transport moyennées (approche RANS) et la simulation numérique des grandes structures (LES). La comparaison avec les données expérimentales concerne principalement la vitesse de propagation du feu, l'intensité du feu, la fréquence des fluctuations des flammes et la longueur d'onde caractérisant la structuration en crête et en creux du front de flammes dans la direction transversale. Les résultats numériques ont mis en évidence la compétition entre les forces de flottaison et les forces d'inertie du vent dans la détermination du comportement du feu, ainsi que la similarité dynamique du front de flammes (intensité et structuration 3D) à petite et grande échelles.

      Cette thèse a été également menée dans le cadre du développement et de la validation du modèle "FireStar3D". Le niveau de détails dans le modèle physique, les propriétés de la méthode numérique utilisée et le bon accord obtenu avec les données expérimentales et numériques rapportées dans la littérature, ont permis à "FireStar3D" de se positionner favorablement au niveau international, parmi les outils numériques les plus couramment utilisés pour étudier le comportement des feux de forêt.

      Mots Clés : Feux de forêts,Modélisation,Turbulence,Combustion,Transfert de chaleur,Simulation numérique, 

      Jury
      Directeur de these M. Dominique MORVAN Aix-Marseille Université / M2P2
      Rapporteur         M. Jean-Louis ROSSI Université de Corse
      Rapporteur         M. Jean-Luc DUPUY Institut National de Recherche Agronomique (INRA)
      Examinateur         M. Olivier VAUQUELIN Aix-Marseille Université / IUSTI
      Examinateur         Mme Laurence PIETRI Aix-Marseille Université / IRPHE
      Examinateur         M. Thierry MARCELLI Université de Corse
      Mercredi 3 Avril 2019 - Modélisation à l'échelle des sous-filtres algébriques explicites pour les méthodes de type DES et extension aux écoulements à densité variable / Soutenance de thèse de Adithya RAMANATHAN KRISHNAN
      Doctorant : Adithya RAMANATHAN KRISHNAN

      Date de la soutenance : Mercredi 3 Avril 2019 à 14h00 / M2P2 UMR7340 Centrale Marseille, Amphithéâtre 3 

      Résumé de la thèse :
      Suite à l'accident nucléaire de Fukushima Daiichi, de nombreux projets ont été mis en place pour comprendre les phénomènes associés au risque de combustion. Le rôle de l'IRSN est de développer un modèle de turbulence générique dans le logiciel interne P2REMICS afin de mener des études de sûreté concernant les dangers de l'hydrogène. Dans cette thèse, l'objectif est d'améliorer les capacités prédictives des méthodes hybrides RANS/LES par le développement d'un modèle à l'échelle de sous-filtre qui prend en compte une relation algébrique explicite pour les stresses turbulents de sous-filtre non-isotropes et les flux scalaires turbulents. Tout d'abord, un modèle explicite algébrique (EARSM) est développé et calibré avec le modèle BSL de Menter pour les écoulements incompressibles dans un contexte RANS. Le travail de validation est réalisé au regard des données DNS disponibles dans la littérature pour l'écoulement entièrement développé du canal à un nombre de Reynolds de frottement à 550 et le écoulement dans un tuyau carré à un nombre de Reynolds de frottement de 600. Deuxièmement, le modèle EARSM est étendu dans le cadre hybrides RANS/LES. Méthodes hybrides RANS/LES spécifiquement dans le cadre de l'Equivalent-Detached Eddy Simulation (E-DES), aboutissant au modèle hybride explicite algébrique (EAHSM). L'étalonnage de la constante de modèle est effectué sur la décroissance de la turbulence isotrope. Après cela, des simulations 3D sont effectuées pour deux résolutions de maillage sur les deux cas mentionnés précédemment. Enfin, en supposant que l'approximation de Boussinesq soit valide, les modèles EARSM et EAHSM sont étendus à des écoulements à densité légèrement variable. Suite à la solution directe des relations algébriques implicites, le modèle algébrique explicite pour les contraintes de Reynolds et les flux scalaires est obtenu dans un cadre RANS amené au modèle explicite algébrique de flux scalaire (EASFM). Une méthode itérative est utilisée pour traiter la non-linéarité des expressions couplées pour les relations algébriques. Ensuite, l'EASFM est étendu au cadre des méthodes hybrides RANS/LES. Le comportement des modèles est évalué sur l'écoulement homogènement cisaillé, en stratification stable, et l'écoulement de canal entièrement développé avec une stratification stable pour différents nombres de Richardson de frottement. 

      Mots Clés : Turbulence, écoulements stratifiés, modélisation

      Jury
      Directeur de these M. Pierre SAGAUT Aix Marseille Université / M2P2
      Rapporteur M. Rémi MANCEAU Laboratoire de mathématiques et de leurs applications - Pau (LMAP)
      Rapporteur Mme Anne TANIERE University of Lorraine
      Examinateur M. Thomas GOMEZ Université de Lille, LMFL
      Examinateur M. Fabien DUVAL Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire
      Examinateur M. Christophe FRIESS Aix Marseille Université / M2P2
      Mercredi 27 Mars 2019 - Modélisation de paroi en simulation des grandes échelles dans une turbomachine / Soutenance de thèse de Mathieu CATCHIRAYER
      Doctorant : Mathieu CATCHIRAYER 

      Date de la soutenance :  Mercredi 27 Mars 2019 à 14h00 /  CERFACS 42 Avenue Gaspard Coriolis 31057 Toulouse ; Salle Jean-Claude André 

      Résumé de la thèse : 
      Au regard des défis énergétiques rencontrés par les motoristes aéronautiques, une meilleure compréhension des écoulements régissant leurs turbomachines est nécessaire. La simulation aux grandes échelles (LES) est une approche adaptée à cette quête d'innovation. Cependant, son coût de résolution d'une couche limite aux nombres de Reynolds rencontrés en aéronautique est prohibitif par rapport aux moyens de calcul actuels. Une manière de surmonter cette limitation est de recourir à une approche WMLES (Wall-Modeled LES). Elle consiste à ne résoudre que la zone externe d'une couche limite et à en extraire les données nécessaires à l'estimation des flux pariétaux par un modèle de paroi, qui va modéliser les effets de la zone interne. La WMLES ne dispose toutefois pas encore d'un niveau de maturité suffisant pour être appliquée sur des géométries industrielles. Cela s'explique notamment par l'absence d'un modèle de paroi adapté à de tels écoulements. L'objectif de cette thèse est ainsi d'accélérer l'emploi d'une approche WMLES pour prédire les écoulements présents dans les turbomachines. À cette fin, un modèle de paroi est développé : l'iWMLES (integral WMLES). Ce modèle est basé sur une résolution des équations de couche limite intégrales à partir de profils de vitesse et de température paramétrisés, ce qui lui permet d'être peu gourmand en ressources de calcul et simple d'utilisation. Dans un premier temps, l'aptitude de l'iWMLES à prendre en compte les effets de compressibilités, thermiques et de gradients de pression caractérisant les couches limites d'une turbomachine est démontrée sur des écoulements académiques. Il s'avère en particulier que l'iWMLES permet d'obtenir des résultats en accord avec les données de référence à un coût de calcul un à deux ordres de grandeurs plus faible qu'un modèle de paroi numérique supposant pourtant une physique pariétale plus simple. Finalement, l'iWMLES est appliquée sur un étage de compresseur axial, démontrant sa robustesse. De plus, en comparant les résultats avec ceux d'une LES, il est montré qu'une approche WMLES peut être considéré pour prédire l'écoulement dans de telles géométries. Toutefois, des erreurs importantes peuvent être générées selon la stratégie de maillage employée.

      Mots Clés : WMLES, modèle de paroi, couche limite, turbomachine    

      Jury
      Directeur de these M. Pierre SAGAUT Aix Marseille Université / M2P2
      Rapporteur M. Éric LAMBALLAIS Université de Poitiers
      Rapporteur M. Nicolas GOURDAIN ISAE-Supaero
      Examinateur M. Sébastien DECK ONERA
      Examinateur M. Franck NICOUD Université de Montpellier
      Examinateur Mme Maria Vittoria SALVETTI Università Di Pisa   
      21 Mars 2019 - Optimisation de forme avec la méthode adjointe appliquée aux équations de Lattice-Boltzmann en aérodynamique externe / Soutenance de thèse Isabelle CEYLAN
      Doctorant : Isabelle CHEYLAN 

      Date de la soutenance :  Jeudi 21 Mars 2019 à 10h30 /  M2P2 UMR7340 Centrale Marseille, Amphithéâtre 1 

      Résumé de la thèse: 
      Cette thèse a pour objectif le développement d'un solveur adjoint dans ProLB, le logiciel d'aérodynamique basé sur la méthode de Lattice-Boltzmann utilisé chez Renault. Ce solveur adjoint permettra de calculer les sensibilités surfaciques des efforts aérodynamiques d'un obstacle par rapport à la forme de celui-ci. Dans un premier temps, l'étude de cas 2D laminaires permettra de détailler le développement du solveur adjoint étape par étape. Les complexités apportées par l'étude d'un cas 3D turbulent à grandes échelles seront ensuite expliquées, puis les modifications apportées au solveur adjoint seront détaillées afin de pouvoir l'utiliser dans un contexte industriel. Les différentes hypothèses retenues pour le développement du solveur adjoint seront justifiées et documentées, afin d'arriver à un solveur adjoint opérationnel en industrie. Le solveur adjoint permettra ainsi de savoir où déformer un véhicule afin de le rendre plus performant en terme d'aérodynamique. L'objectif à terme est de déformer, par des techniques de morphing, la forme d'un véhicule afin d'améliorer la force de traînée agissant sur celui-ci. 

      Mots Clés : Lattice-Boltzmann, Optimisation de forme, Méthode adjointe, Aérodynamique, CFD

      Jury :
      Directeur de these M. Pierre SAGAUT Aix Marseille Université / M2P2
      Rapporteur M. François DUBOIS Conservatoire National des Arts et Métiers
      Rapporteur M. Christophe CORRE Ecole Centrale de Lyon
      Examinateur M. Grégoire ALLAIRE Ecole Polytechnique
      Examinateur M. Julien FAVIER Aix Marseille Université / M2P2
      Examinateur M. Denis RICOT Renault
      Examinateur Mme Maria Vittoria SALVETTI University of Pisa
      28 Février 2019 - Développement du Procédé de Pervaporation : Application à la Régénération de Solvants / Soutenance de thèse Thomas LA ROCCA
      Doctorant : Thomas LA ROCCA

      Date de la soutenance :  Jeudi 28 Février 2019 à 10h / Grand Amphithéâtre du CEREGE, site de l'Arbois

      Résumé de la thèse: 
      Cette étude se consacre au développement du procédé de pervaporation appliqué à la purification et à la régénération de solvants, principalement utilisés dans l’industrie pharmaceutique. Ce travail repose sur un triptyque : (i) le développement de membranes industrielles baptisées HybSi® et la compréhension du transfert de matière, (ii) l’utilisation de la spectroscopie proche infrarouge (PIR) pour le pilotage en ligne de la pervaporation et, (iii) la conception de la première unité semi-industrielle afin de faire le lien entre l’échelle laboratoire et industrielle. 
      Des expériences de purification de solvants à partir de mélanges hydro-organiques complexes, ont été menées afin de mettre en évidence les paramètres influents sur la performance. La température à un effet important sur le flux et la sélectivité tout comme le type et le nombre de composés présents. La spectroscopie PIR présente une grande précision même à très faibles concentrations et une excellente reproductibilité permettant ainsi de piloter le procédé. Enfin, la mise en eau et les premiers tests de déshydratation sur le pilote semi-industriel ont conforté l’intérêt du positionnement sur site industriel de la pervaporation.

      Mots-clés : Purification/Régénération organique, Pervaporation, Membrane HybSi®, Spectroscopie PIR, Pilote semi-industriel 

      Jury:
      Patrick BOURSEAU Prof. Université Bretagne Sud, GEPEA, Rapporteur
      Emilie CARRETIER HDR Aix-Marseille Université, M2P2, Co-Directrice
      Catherine CHARCOSSET Directrice de Recherche Université Lyon 1, CNRS, Présidente
      Didier DHALER, Resp. R&D, Membre Invité, Orelis Environnement
      Martial ETIENNE, Resp. R&D, Membre Invité, Sanofi Chimie
      Eric FAVRE, Prof. Université de Lorraine, ENSIC, Rapporteur
      Philippe MOULIN, Prof. Aix-Marseille Université, Directeur
      14 décembre 2018 - L'Etudes Numérique des Dynamiques Filamentaires dans les Plasmas des SOLs de tokamak / Soutenance de thèse William GRACIAS
      Doctorant : William GRACIAS

      Date de la soutenance : vendredi 14 décembre 2018 à 10h00 /   Av. de la Universidad 30, Universidad Carlos III de Madrid, Leganés 28911, Madrid, Espagne 

      Résumé de la thèse: 
      Le transport filamentaire a été expérimentalement observé dans une multitude de machines de fusion par confinement magnétique, en particulier du genre tokamak. Dans cette thèse la dynamique de ces structures turbulentes filamentaires est étudiée par des études paramétriques. L'’impact de la résistivité parallèle dans le plasma est un aspect important pour la compréhension du mouvement filamentaire dans la région du bord, et ces études montrent la possibilité de changer la dynamique de la vélocité radiale des filaments en fonction de la taille. L'étude d'impact de cisaillement magnétique sur la dynamique des filaments montrent la capacité d'un cisaillement fort de redistribuer la densité d'un filament en l'interdisant de se propager vers le paroi. Le transport turbulent de filament est aussi étudié et montre la tendance de ce transport à varier en fonction de volume du SOL. 

      Mots clés : Turbulence, transport, filaments, blobs, bord

      Jury:
      Directeur de thèse Eric SERRE                 CNRS / laboratoire M2P2
      Examinateur                 Carlos HIDALGO        Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT)
      Examinateur                 Teresa ESTRADA        Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT)
      Examinateur                 Luis CONDE LóPEZ Universidad Politécnica de Madrid
      Examinateur                 Raúl SANCHEZ         Universidad Carlos III de Madrid
      Examinateur                 Jean-Marc LAYET         AMU / laboratoire P2IM
      28 novembre 2018 - Les réacteurs à biofilm pour la valorisation des eaux usées : Approche multi-échelle, intégrée pour l’optimisation des procédés / Soutenance de HDR Audrey SORIC
      Dr. Audrey SORIC

      Date de la soutenance : le 28 novembre 2018 à 10h - Amphi 3, Centrale Marseille 


      Mots clés : Procédés propres; optimisation; réacteurs à biofilm 

      Jury:
      Claire Albasi,                                 LGC  (Directrice de recherche CNRS)
      Olivier Boutin,                               M2P2 (Professeur AMU)
      Florent Chazarenc,                       IRSTEA Lyon (Directeur de Recherche)
      Frédéric Fotiadu,                          ISM2 (Professeur Centrale Marseille)
      Marie-Thérèse Giudici-Orticoni, BIP (Directrice de Recherche CNRS)
      Christian Larroche,                       Institut Pascal (Professeur Polytech Clermont-Ferrand)
      Michaël Tatoulian,                         IRCP (Professeur Chimie-Paristech) 
      26 novembre 2018 - Etude des mécanismes de cristallisation en milieu supercritique : Application à des principes actifs pharmaceutiques / Soutenance de thèse Sébastien CLERCQ
      Doctorant : Sébastien CLERCQ

      Date de la soutenance : Lundi 26 Novembre 2018 à 10h / Grand Amphithéâtre du CEREGE, site de l'Arbois

      Résumé de la thèse: 
      Ce manuscrit présente une étude du procédé Supercritique Anti-Solvant (SAS) en combinant un travail expérimental et une étude de modélisation moléculaire. En comparaison aux méthodes traditionnelles de cristallisation en solution, le procédé SAS permet une baisse significative des quantités de solvants utilisées, un meilleur contrôle des caractéristiques des poudres générées ainsi qu’une plus grande sélectivité polymorphique. De nombreuses études expérimentales ou de modélisation numérique ont permis une meilleure compréhension de ce procédé, mais certains aspects, liés aux mécanismes de cristallisation sous pression, demeurent moins discutés. Par une investigation de ces mécanismes, l’objectif de ce travail a été de développer et de valider des méthodes permettant un meilleur contrôle du faciès des poudres générées et de la forme du polymorphe. De ces caractéristiques dépendent certaines propriétés des cristaux, telles que leur cinétique de dissolution ou encore leur stabilité physique et chimique, particulièrement importante pour le domaine pharmaceutique.
      Le travail expérimental a conduit à la recristallisation du sulfathiazole, un soluté polymorphe modèle permettant une étude cristallographique complète grâce à sa faculté de cristalliser sous cinq formes différentes. Il a été micronisé avec succès à partir de différents solvants organiques et pour différentes conditions opératoires. Deux formes ont majoritairement été obtenues. En utilisant l’acétone comme solvant, la forme I (la moins stable) est formée lorsque le débit de solution organique et la sursaturation globale sont élevés. La forme IV (plus stable que la forme I) est formée lorsque les conditions de mélange sont peu intenses, à savoir pour de faibles débits des deux phases et quelles que soient les conditions de sursaturation.
      L’étude de modélisation moléculaire a eu pour objectif de prédire le faciès des cristaux en fonction de l’environnement de croissance. Dans un premier temps, les cristaux de sulfathiazole ont été modélisés in vacuo. Ensuite, la nature du milieu de cristallisation a été prise en compte grâce à des simulations d’adsorption des solvants sur les différentes faces du cristal. Il a ainsi été prédit une faible adsorption de l’acétonitrile et du CO2, n’engendrant aucune modification des caractéristiques des cristaux de sulfathiazole, une adsorption significative de l’acétone et du tétrahydrofurane sur certaines faces identifiées, modifiant le faciès des cristaux, et enfin, une adsorption très importante de l’acide acétique sur l’ensemble des faces. Ces résultats ont été validés par l’observation des cristaux obtenus expérimentalement. La cohérence entre les résultats de modélisation et les résultats expérimentaux montre la pertinence de cette approche novatrice pour les milieux supercritiques.

      Jury:
      Elisabeth BADENS Prof. Aix Marseille Université, M2P2         Directrice
      Brice CALVIGNAC         MC         Université d’Anger, MINT         Rapporteur
      Séverine CAMY         Prof. INP ENCIACET Toulouse         Rapporteur
      Nadine CANDONI         Prof. Aix Marseille Université, CINaM         Examinatrice
      Sylvaine LAFONT         Dr. Sanofi Sisteron         Examinatrice
      Antoine LEYBROS Dr. CEA Marcoule, LPSD         Examinateur
      Philip LLEWELLYN Prof. Aix Marseille Université, MADIREL Examinateur
      Adil MOUAHID         MC         Aix Marseille Université, M2P2         Directeur
      Gérard PEPE         DR Membre invité         Encadrant
      19 novembre 2018 - Etude hydraulique et statistique d'écoulements métastables en faisceaux d'assemblage REP / Soutenance de thèse Florian MULLER
      Doctorant : Florian MULLER

      Date de la soutenance : lundi 19 Novembre 2018 à 10h00 /  INSTN Centre CEA Saclay D36, 91190 Saclay ; Grand amphithéâtre 

      Résumé de la thèse: 
      L’'analyse des écoulements au sein des faisceaux d’'assemblages combustibles constitue un volet important des études de sûreté des Réacteurs à Eau Pressurisée (REP). En effet, une mauvaise répartition thermique au sein de ces écoulements peut conduire à une crise d’'ébullition nuisible à la sûreté de fonctionnement du réacteur. De nombreuses études expérimentales ou basées sur la simulation numérique ont montré l’'existence de phénomènes de réorganisation de structures aux grandes échelles dans ces écoulements. 
      Ce travail de thèse vise à progresser dans notre compréhension de ces phénomènes, tant pour mieux les caractériser que pour identifier leur origine, l’'objectif in fine étant de développer des modélisations aux petits échelles adaptées à ce type d’'écoulements. Un travail bibliographique a mis en évidence les difficultés rencontrées par les simulations numériques pour reproduire ces phénomènes, ainsi que de nombreux questionnements concernant leur caractère physique. Des simulations 3D fines ont été réalisées pour analyser l’'écoulement et ont permis d’'identifier deux mécanismes de réorganisation distincts pour les structures aux grandes échelles : un changement de signe de la vitesse transverse entre les crayons ou du tourbillon dans un sous-canal. Il est apparu qu'’il semblait pertinent d’'adopter l’'hypothèse de Taylor pour considérer que les grandes structures 3D évoluaient comme un écoulement 2D transporté. Un gros volet de la thèse a concerné la mise en œoeuvre d’'un code basé sur une méthode statistique pour un champ 2D dans le but de déterminer les états thermodynamiquement stables dans des géométries avec obstacles (représentatives des assemblages combustibles) via la résolution d’un problème variationnel. Des similarités intéressantes ont été obtenues entre les structures cohérentes en REP et les états stables dans une géométrie 2D simplifiée. Des simulations numériques 2D ont permis de plus d'’identifier deux bifurcations possibles pour l’'écoulement, qui présentent un parallèle avec les deux mécanismes de réorganisations observés dans les simulations 3D, et permettent ainsi de poser les bases d’'une explication physique du phénomène. Des premiers résultats de synthèse entre les approches 3D et 2D sont également proposés. 

      Mots clés : CFD, Turbulence, Nucléaire, Ecoulements métastables

      Jury:
      Directeur de these Pierre SAGAUT                 Aix-Marseille Université / M2P2
      Examinateur                 Jean-Camille CHASSAING Sorbonne Université
      Examinateur                 Aziz HAMDOUNI                 Université de La Rochelle
      Examinateur                 Elie HACHEM                 Ecole de Mines de Sofia-Antipolis
      Examinateur                 Aurore NASO                 CNRS / Ecole Centrale Lyon - MFAE/LMFA
      Examinateur                 Anne BURBEAU ​                CEA / Cesta
      Rapporteur                 Thomas GOMEZ                 Université de Lille / Laboratoire de Mécanique des Fluides de Lille
      Rapporteur                 Eric GONCALVES DA SILVA    ENSMA - INSIS (Institut des sciences de l'ingénierie et des systèmes) 
      19 novembre 2018 - Simulations numériques du transport et du mélange de mucus bronchique par battement ciliaire métachronal / Soutenance de thèse Sylvain CHATEAU
      Doctorant : Sylvain CHATEAU

      Date de la soutenance : lundi 19 Novembre 2018 à 9h30 / amphithéâtre n°3 / Centrale Marseille

      Résumé de la thèse: 
      La clairance mucociliaire est un processus physico-chimique qui sert à transporter et éliminer le mucus bronchique. Pour cela, des milliers d'appendices de taille micrométrique, que l'on nomme cils, recouvrent l'épithélium respiratoire. Ces cils propulsent le mucus en suivant un motif périodique comprenant une phase de poussée où leur pointe peut pénétrer dans le mucus, et une phase de récupération où ils sont totalement immergés dans le fluide périciliaire. Un dysfonctionnement de ce processus peut engendrer de nombreux problèmes de santé. Il a été observé que les cils ne battent pas aléatoirement, mais synchronisent leurs battements avec leurs voisins, formant ainsi des ondes métachronales. Toutefois, du fait que les observations expérimentales sont extrêmement difficiles à réaliser, les propriétés de ces ondes restent mal connues. Dans cette thèse, nous utilisons la simulation numérique afin de reproduire un épithélium bronchique et étudier l'émergence, ainsi que les capacités de transports et de mélanges, de ces ondes. Dans un premier temps, nous considérons des tapis de cils battant initialement dans des étapes aléatoires de leur battement. Nous observons qu'une rétroaction purement hydrodynamique de la part des fluides sur les cils permets la synchronisation de ces derniers, et amène soit à l'émergence d'ondes métachronales antiplectiques, symplectiques, ou bien synchrones. Dans un second temps, nous analysons les capacités de transport et de mélange de ces trois types d'ondes. Les ondes antiplectiques se révèlent être les meilleures à transporter et mélanger les fluides, et les plus avantageuses d'un point de vue énergétique. Pour les trois types de coordination ciliaire, le mélange est chaotique. Il est puissant près de la région ciliée, et faible dans les régions éloignées. Dans un troisième temps, nous expliquons la meilleure efficacité des ondes antiplectiques sur les ondes synchrones et symplectiques par un phénomène d'aspiration-soufflage qui se produit au niveau de l'interface entre le mucus et le fluide périciliaire. Ce mécanisme permet à la pointe des cils battant en organisation antiplectique de pénétrer plus profondément dans le mucus durant la phase de poussée, et d'en être plus éloignés lors de la phase de récupération. La compétition entre ce phénomène, et l'effet de lubrification du mucus grâce au fluide périciliaire, est aussi étudiée aux travers de différents paramètres. Enfin, dans un dernier temps, les effets de l'asymétrie temporelle dans le battement des cils sont étudiés. Nous trouvons qu'une phase de poussée occupant environ 30 % de la période de battement, tel ce qui est observé dans la nature, correspond à un optimum énergétique dans le cas des ondes antiplectiques. 

      Mots clés : Frontières Immergées, Clairance mucociliaire, Propulsion ciliaire, Ondes métachronales

      Jury:
      Directeur de these Julien FAVIER         Aix Marseille Université, Laboratoire M2P2
      Rapporteur                 Franck NICOUD         Université de Montpellier
      Rapporteur                 Philippe PONCET         Université de Pau et des Pays de l'Adour
      Examinateur                 Benjamin MAUROY CNRS / Université de Nice
      CoDirecteur de these Sébastien PONCET Université de Sherbrooke & Aix Marseille Université
      CoDirecteur de these Umberto D'ORTONA CNRS / Aix Marseille Université, Laboratoire M2P2
      Examinateur                 Annie VIALLAT         CNRS / Aix Marseille Université
      Examinateur                 Stéphane MOREAU Université de Sherbrooke
      19 octobre 2018 - Préparation et évaluation de l’activité d’un nouveau catalyseur monolithique en microréacteur / Soutenance de thèse Xiaotong ZHAN
      Doctorant : Xiaotong ZHAN 

      Date de la soutenance : vendredi 19 octobre 2018 à 10h00 / Salle des thèses de St Jérôme, AMU

      Résumé de la thèse: 
      Cette étude présente la préparation et l’évaluation de l’activité d’un nouveau catalyseur monolithique en microréacteur. La réaction d’hydrogénation du p-nitrophénol par transfert d’hydrogène avec l’acide formique a été choisie comme réaction modèle pour comparer les performances du monolithe à celles d’un catalyseur commercial en lit fixe.
      Cette thèse comporte une partie expérimentale importante. D’un côté, un montage expérimental et des protocoles d’analyse en ligne ont été mis au point pour faire une étude quantitative précise de la réaction modèle. De l’autre côté, les conditions de préparation d’un monolithe de silice fonctionnalisée dans le tube-réacteur en acier chemisé de verre ont été optimisées. Il a été chargé en nanoparticules de Pd par une méthode en écoulement. Le monolithe comporte un réseau de macropores pour l’écoulement et une organisation hexagonale typique de mésopores et micropores, et cela presque sans retrait au séchage.
      L’activité des 2 types de catalyseurs dans la réaction modèle a été comparée par leur cinétique de réaction et leur comportement dynamique dans la phase de mise en régime du microréacteur. Une partie théorique présente la modélisation du microréacteur en régime stationnaire pour l’établissement des cinétiques et en régime transitoire pour rationaliser les observations expérimentales. Le monolithe Pd@silice et le catalyseur commercial Pd@alumine ont des comportements différents et obéissent à des lois cinétiques différentes. Un modèle réactionnel impliquant un changement de propriétés de la surface catalytique pourrait expliquer le profil de concentration inhabituel observé avec le catalyseur commercial. La comparaison démontre la supériorité du nouveau catalyseur monolithe, et lui ouvre de bonnes perspectives industrielles. 

      Mots clés : Microréacteur, Catalyse hétérogène, Transfert d’hydrogène, Modélisation cinétique, Synthèse de catalyseur 

      Jury:
      Rapporteurs : Véronique DUFAUD-NICCOLAI,   Directeur de Recherche CNRS, Université Claude Bernard Lyon 1
      Rapporteurs : Jean-Marc COMMENGE,               Professeur, Université de Lorraine.
      Examinateur : Alain FAVRE-REGUILLON,            Maître de Conférences, Conservatoire National des Arts et Métiers.
      Examinateur : Pierrette GUICHARDON,              Professeur, Ecole Centrale Marseille.
      Invité : Frédéric FOTIADU,                                    Professeur, Ecole Centrale Marseille.
      Directrice de thèse : Françoise DUPRAT,            Professeur, Ecole Centrale Marseille.
      Co-directeur de thèse : Damien HERAULT,         Maître de Conférences, Ecole Centrale Marseille.
      8 juin 2018 - Développement de méthodes de Boltzmann sur réseau en maillages non-uniformes pour l’'aéroacoustique automobile / Soutenance de thèse Félix GENDRE
      Doctorant : Félix GENDRE

      Date de la soutenance : Vendredi 8 Juin   2018 à 10:30, amphithéâtre A / RdC de l'Equerre , Ecole Centrale de Marseille

      Résumé de la thèse: 
      L'objectif de ce travail est d'étudier les capacités de la méthode de Boltzmann sur réseau (LBM) dans un cadre numériquement contraignant : celui de la simulation aéroacoustique en maillage non-uniforme, à très haut nombre de Reynolds et à nombre de Mach non négligeable (Ma>0.1), appliquée à l'automobile. La problématique industrielle est celle du calcul du bruit intérieur d'origine aérodynamique, dont le calcul du champ de pression pariétal instationnaire sur le vitrage conducteur est la première étape décisive. Il a été constaté qu'un manque de précision sur la faible part acoustique du champ de pression total sur le vitrage, provenant très probablement d'erreurs au niveau des transitions de résolution du maillage, était la cause d'une surestimation du bruit intérieur. Nous présentons d'abord une contruction cohérente et unifiée de la méthode de Boltzmann sur réseau à partir de l'équation de Boltzmann, dans un cadre athermal faiblement compressible. Nous insistons particulièrement sur la cohérence des adimensionnements ainsi que sur la question de la limite hydrodynamique de l'équation de Boltzman sur réseau. Nous étudions ensuite en détail les propriétés aéroacoustiques de la LBM, en parcourant toutes les grandes familles d'opérateurs de collision de la littérature. Une variante de modèle à temps de relaxation multiples, utilisable pour l'aéroacoustique, est présentée et testée. Les modèles basés sur un filtrage sélectif de l'équation de Boltzmann sur réseau sont aussi étudiés. Un modèle alternatif simplifié de filtrage sélectif, rapide et compact, est développé et validé numériquement. Une étude préliminaire est également menée pour utiliser l'hyperviscosité introduite par ce dernier dans le cadre de calculs LES (Large Eddy Simulation), avec des résultats prometteurs. La problématique des maillages non-uniformes est abordée. Un recensement exhaustif des études LBM menées dans ce cadre dans la littérature montre qu'aucune ne correspond à nos contraintes. Un algorithme alternatif est développé pour traiter les problèmes observés aux transitions de résolution. Nous apportons également des modifications à un algorithme plus classique, validées numériquement. Enfin, des applications industrielles sont réalisées à l'aide des modèles développés dans le mémoire, en particulier sur un véhicule complet. Le potentiel impact positif sur la qualité du champ aéroacoustique en maillage non-uniforme de la stratégie LES basée sur l'hyperviscosité du filtrage sélectif est discuté. 

      Mots clés : Boltzmann sur réseau, Aéroacoustique, Maillage non uniforme, Turbulence, Fltrage, 

      Jury:
      Directeur de these Pierre SAGAUT Université d'Aix Marseille
      Examinateur                 Julien FAVIER Université d'Aix Marseille
      Examinateur                 Denis RICOT         Renault S.A.S
      Examinateur                 Charles HIRSCH Université libre de Bruxelles
      Rapporteur                 François DUBOIS Conservatoire National des Arts et Metiers
      Rapporteur                 Irina GINZBURG IRSTEA 

      5 juin 2018 - Rhéologie du mucus bronchique: caractérisation et modélisation pour l'aide à la clairance par un dispositif médical / Soutenance de thèse Olivier LAFFORGUE
      Doctorant : Olivier LAFFORGUE

      Date de la soutenance : Mardi 5 juin 2018 à 10h00 Grand amphithéâtre du CEREGE

      Résumé de la thèse: 
      Aujourd’hui, les pathologies respiratoires chroniques constituent un fardeau sanitaire mondial. Beaucoup sont associées à une modification rhéologique du mucus. Le rôle de clairance du mucus tapissant les voies respiratoires est de capturer des particules étrangères afin qu’enzymes et anticorps le nettoient, puis d’être transporté vers le pharynx pour être digéré ou expectoré. Dans des conditions pathologiques (e.g. mucoviscidose), les propriétés physiques assurant cette fonction vitale sont entravées par des modifications de la composition du mucus. L’objectif ici est de caractériser en profondeur les propriétés mécaniques du mucus vis-à-vis du développement d’appareils d’aide à la clairance. Ceci est réalisé par des moyens expérimentaux et de la modélisation depuis la base de données qui en découle. Le mucus réel implique de sérieuses problématiques de collecte, c’est pourquoi le choix a été fait de préparer des simulants à partir de glycoprotéines à différentes concentrations reproduisant la variété naturelle du mucus. Cela a permis de tester chacune des variétés vastement, palliant ainsi les problèmes de cohérence intrinsèque. La microscopie optique et la MEB ont donné un aperçu visuel du réseau 3D des simulants et confirmé sa similarité avec des mucus réels. La tension de surface, liée à la mouillabilité et l’adhésivité du mucus sur la surface épithéliale a été mesurée. Cela a montré une bonne concordance avec des mucus pathologiques, en particulier les concentrations élevées, en cohérence avec les observations cliniques. Le mucus est sujet aux changements de température in-vivo et peut varier de 20°C près de la bouche à 40°C en cas de fièvre. Ainsi les diffusivité, conductivité et capacités thermiques ont été mesurées dans cet intervalle. Les résultats sont proches de ceux de l’eau. Des tests SAOS ont permis la caractérisation rhéologique de la structure au repos. Les effets de la contrainte, fréquence et température sur la viscoélasticité ont été mesurés ainsi que les phénomènes viscoplastiques quantifiés en termes de seuils de contrainte et d’écoulement et d’énergie de cohésion en fonction de la concentration. Les tests en écoulement permanent montrent des comportements viscoplastiques et rhéofluidifiants bien ajustés par un modèle d’Herschel-Bulkley. Ses paramètres quantifient la viscoplasticité et la rhéofluidifiance en fonction de la concentration. En complément, des essais transitoires ont été conçus pour étudier la thixotropie du mucus. Celle-ci est liée à des évolutions lentes des propriétés rhéologiques dues à la restructuration au repos ou la déstructuration initiée par une déformation. Dans le cadre de la kinésithérapie respiratoire – visant à déstructurer l’épais mucus afin que le patient puisse l’expectorer – une telle dépendance du temps est une propriété cruciale. Elle fut d’abord observée qualitativement en écoulement continu comme une boucle d’hystérésis. La thixotropie a ensuite été mesurée indépendamment des comportements indépendants du temps et quantifiée par des échelons de cisaillement. Cela a fourni des temps de reprise ainsi que des courbes d’écoulement permanent isostructurelles (rhéogramme d’un niveau de structure donné). Ces dernières permettent de relier les paramètres HB au degré de structure. Enfin, la modification du modèle d’HB pour qu’il tienne compte de la cinétique de la structure a permis d’ajuster les échelons positifs à partir d’une référence proche des conditions de respiration vers des conditions proches de la toux (1 à 100 s-1). En conclusion, des tests complémentaires et intrinsèquement cohérents ont fourni une caractérisation thermo-physique et rhéologique complète d’une variété de simulants de mucus dans des conditions de repos, d’écoulement permanent et transitoires. Il en résulte un nouveau modèle prenant en compte la thixotropie. Ces résultats quantitatifs fournissent une base de données utile pour de futures simulations numériques dédiées au transport du mucus bronchique. 

      Mots clés : rhéologie, mucus, SIMEOX, transport, clairance, modélisation

      Jury
      Directeur de these Sébastien PONCET Université de Sherbrooke
      Rapporteur                 Albert MAGNIN         CNRS, Université Grenoble Alpes
      CoDirecteur de these Julien FAVIER         Aix-Marseille Université
      CoDirecteur de these Isabelle SEYSSIECQ Aix-Marseille Université
      Rapporteur                 Gladys MASSIERA Université Montpellier
      Examinateur                 Michaël BAUDOIN Université de Lille
      Examinateur                 Benoit HAUT                 Université libre de Bruxelles
      31 mai 2018 - Linear and semi-linear analysis of large-scale oscillations in laminar and turbulent open flows / Soutenance HDR Philippe MELIGA
      Dr. Philippe MELIGA

      Date de la soutenance : Jeudi 31 Mai à 14h00 en amphi 3 de Centrale Marseille

      Abstract : 
      I will review several lines or research committed to raising the state-of-the-art capability of theoretical, linear stability and sensibility analyses in view of tackling flows of engineering importance, where Reynolds numbers of several millions are common occurrences and the small amplitude assumption is inherently faulted. I will focus on two different, yet not unrelated approaches:
      - the linear stability and sensitivity analysis of turbulent flows performed in the frame of the triple decomposition,
      - the semi-linear analysis of laminar flows, that uses a self-consistent model of the mean flow/fluctuation interaction to predict how an instability grows and saturates at a finite amplitude.
      I will also describe ongoing efforts undertaken to benefit from advanced numerical methods and high performance computing.

      Jury :
      L. Jacquin,        ONERA (rapporteur)
      P. J. Schmid,     Imperial College (rapporteur)
      S. Zaleski,         IJLRA (rapporteur)
      M. Braza,           IMFT
      J.-M. Chomaz,  LadHyX
      U. Ehrenstein,  M2P2
      F. Gallaire,        EPFL
      10 avril 2018 - Pervaporation de composés purs : approche expérimentale du couplage entre transfert de matière et transfert de chaleur / Soutenance de thèse Amine Sid Ali Toudji
      Doctorant: Amine Sid Ali TOUDJI

      Date de la soutenance : Vendredi 10 avril 2018 à 09:45 Grand amphithéâtre du CEREGE

      Résumé de la thèse: 
      L'objectif de ce travail est l'étude du procédé de pervaporation et plus particulièrement la compréhension des mécanismes de transfert dans une membrane en polymère qualifiée de dense. La compréhension de ces mécanismes permettrait de lever les verrous limitant le développement de ce procédé, comme les faibles flux de matière ainsi que l'origine et la quantité de chaleur nécessaire au transfert à travers la membrane. Afin de répondre à ces questions, nous avons développé un dispositif expérimental qui permet de mesurer en simultané les densités de flux de matière et de chaleur. La configuration frontale statique de perméation du dispositif donne accès au profil de température du liquide d'alimentation. Ces données de température ont permis de calculer les densités de flux de chaleur engagées durant les expériences de pervaporation grâce à un calcul par méthode inverse couplé à une simulation STAR CCM+. La densité de flux de matière est mesurée par une nouvelle méthode en complément de la méthode gravimétrique qui a servi de référence. La nouvelle méthode utilise un capteur de pression situé dans réservoir d'alimentation permettant de mesurer en continu la densité de flux de matière avec fréquence d'acquisition de 1Hz synchronisée avec la mesure des températures. Afin de faciliter la compréhension des mécanismes de transfert, nous nous sommes restreints à la perméation de composés purs. La corrélation des deux flux (de matière et de chaleur) mesurés nous a conduit à la conclusion que la quantité de chaleur prise au fluide en amont pour pervaporer une unité de masse de liquide pur est inférieure à la quantité de chaleur nécessaire pour vaporiser ce même liquide. Elle représente 50 % de celle-ci dans le cas de l’eau et seulement 25 % dans le cas de l’'éthanol. 

      Mots clés : Pervaporation,densité de flux de matière,densité de flux de chaleur,membrane dense

      Jury:
      Directeur de these     Emilie CARRETIER                 Aix-Marseille Université
      CoDirecteur de these     Jean-Philippe BONNET         Aix-Marseille Université
      CoDirecteur de these     Jean-Laurent GARDAREIN Aix-Marseille Université
      Rapporteur                     Eric FAVRE                         Université de lorraine
      Rapporteur                     Laetitia PEREZ                         Université de Nantes
      Examinateur                     Violaine ATHES                 Agro Paris Tech
      Examinateur                     David BRUTIN                         Aix-Marseille Université
      Examinateur                     Murielle RABILLER BAUDRY Université de Rennes
      4 avril 2018 - Développement de procèdes propres utilisant le co2 supercritique/ Soutenance HDR Christelle CRAMPON
      Dr. Christelle CRAMPON

      Date de la soutenance : Mercredi 4 avril 2018 à 10:00 Grand amphithéâtre du CEREGE

      Résumé des travaux: 
      Lors de cette présentation, je vais faire une rétrospective de mes activités de recherche depuis le début de ma carrière d’enseignant-chercheur, effectuée en grande partie au sein de l’équipe « Procédés et Fluides Supercritiques » du laboratoire Mécanique, Modélisation et Procédés Propres. Mes activités concernent essentiellement le développement de procédés utilisant le CO2 supercritique. L’utilisation de ce solvant garantit la mise en place de procédés propres et compacts. Le CO2 supercritique est en effet reconnu par “the U.S. Food and Drug Administration” (US FDA) comme étant un solvant GRAS (Generally Recognized As Safe) dont l’utilisation est en adéquation avec des applications alimentaires ou liées à la santé. Il est d’ailleurs approuvé pour la production de produits agroalimentaires sans déclaration. Ce solvant est également plutôt sélectif ; cette sélectivité est modulée en faisant varier la pression et la température. La récupération du produit ciblé ou sa séparation avec le fluide supercritique se fait par simple dépressurisation puisque le CO2 est gazeux et perd son pouvoir solvant dans les conditions ambiantes de pression et de température. Les coordonnées critiques du CO2 sont facilement accessibles (Tc = 304,21 K ; Pc = 7,38 MPa) et notamment la température critique qui permet d’utiliser le CO2 supercritique pour travailler avec des composés thermosensibles. 

      Parmi les procédés étudiés, je vais aborder l’extraction de composés d’intérêt par CO2 supercritique à partir de matière solide (plantes, microalgues…), le fractionnement supercritique et enfin l’élaboration de systèmes à libération contrôlée en milieu supercritique. Ces activités de recherche ont trouvé des applications larges allant de l’énergie avec la production de biocarburants, la santé avec l’élaboration de liposomes et de systèmes à libération contrôlée, la parfumerie avec le fractionnement de mélanges liquides complexes issus de plantes… Pour chacun des procédés présentés, je vais rappeler les résultats essentiels et proposer des perspectives de recherches. 

      Mots clefs : CO2 supercritique, procédés propres, extraction, fractionnement, génération de particules

      Jury:
      Rapporteurs
      Dr Nora Ventosa – Université de Barcelone
      Professeur Jean-Stéphane Condoret – Université Paul-Sabatier
      Professeur Jacques Fages - Ecole des Mines d’Albi-Carmaux
      Évaluateurs
      Dr Stéphane Sarrade - CEA Saclay
      Tutrice
      Professeur Elisabeth Badens - Aix-Marseille Université

      18 décembre 2017 - Contrôle des vibrations induites par vortex dans le sillage d'un cylindre monté sur ressort / Soutenance de thèse Eddy CONSTANT
      Doctorant: Eddy CONSTANT

      Date de la soutenance : Lundi 18 Décembre 2017 à 14:00, amphithéâtre de la Jetée, Ecole Centrale de Marseille

      Résumé de la thèse: 
      Cette thèse s’inscrit dans le contexte de la simulation et du contrôle des vi- brations de structures montées sur ressort qui peuvent apparaître sous l’effet de l’interaction avec l’écoulement de sillage instationnaire. Le contrôle de ce phé- nomène, appelé Vibrations Induites par Vortex (VIV), est un enjeu critique dans l’optimisation de nombreux systèmes, notamment en aérodynamique autour des voilures d’avion et en hydrodynamique autour de structures offshore. Dans cette thèse, une méthode de frontières immergées (IBM) a été inté- grée dans l’algorithme PISO du code OpenFOAM, dédié à la simulation d’écou- lements fluides incompressibles. La méthode de frontières immergées permet une représentation précise de corps fixes ou en mouvement, tout en conservant des maillages structurés conduisant à des algorithmes plus précis et efficaces en termes de performances numériques. Un schéma itératif basé sur des sous- itérations entre l’IBM et la correction de pression a été intégré dans le solveur PISO, permettant de conserver un solveur de Poisson rapide tout en satisfaisant simultanément la condition d’incompressibilité de l’écoulement et la condition de non-glissement à la surface. Pour calculer la divergence de l’équation de quantité de mouvement dans la boucle PISO et l’interpolation des flux, un calcul hybride orignal a été proposé avec une résolution analytique utilisant l’équation de la fonction noyau des quantités impliquant le terme force de l’IBM (quantités sin- gulières). Un soin particulier a été apporté à la vérification et à la validation du nouvel algorithme. La convergence en maillage de différentes erreurs a été mon- trée au moyen d’une solution manufacturée, permettant d’analyser aussi bien les erreurs de discrétisation que les erreurs relatives à l’IBM. Le nouvel algorithm a été par la suite étendu au formalisme RANS et DDES proposés dans OpenFOAM pour la simulation d’écoulements en régimes turbulents. Une loi de paroi a été intégrée dans la méthode IBM permettant de modéliser les fines couches limites qui se développent autour des corps à grand nombre de Reynolds. Le travail de validation a été réalisé au regard des données expérimentales et numériques disponibles dans la littérature pour l’étude d’écoulements autour de cylindres et de sphères, sur une large gamme de nombres de Reynolds. Avec l’objectif de développer des lois de contrôle optimal pour le VIV, basées sur les mécanismes d’instabilité linéaire du système couplé dans le cadre de la théorie du contrôle, un solveur adjoint a été développé et validé dans OpenFOAM. 

      Mots clés : Aérodynamique, Elasticité, Mécanique des Fluides, Contrôle d'écoulement, Vibrations induites par vortex, Instabilité 

      Jury:
      Directeur de these Eric SERRE CNRS UMR7340
      Rapporteur Elie HACHEM Mines Paris Tech.
      Rapporteur Alfredo PINELLI City University of London
      Examinateur Julien REVEILLON Université de ROUEN, CORIA
      Examinateur Michael SCHAEFER TU Darmstadt
      CoDirecteur de these Julien FAVIER Aix-Marseille Université
      CoDirecteur de these Philippe MELIGA CNRS UMR7340

      8 décembre 2017 - Modélisation numérique du transport et de la turbulence dans le plasma de bord des tokamaks avec configuration divertor / Soutenance de thèse Davide GALASSI
      Doctorant : Davide GALASSI

      Date de la soutenance : Vendredi 8 Décembre 2017 à 15:00, Faculté des Sciences Aix-Marseille Université, 52 Avenue Escadrille Normandie Niemen
      13013 Marseille, Salle Multimédia 

      Résumé de la thèse
      La fusion nucléaire pourrait offrir une nouvelle source d'énergie stable, non émettrice de CO2 et pérenne. Aujourd’hui, les tokamaks offrent les meilleures performances, en confinant un plasma à haute température au moyen d’un champ magnétique. Deux des enjeux technologiques majeurs pour l'exploitation des tokamaks sont l’extraction de puissance et le confinement du plasma sur des temps longs. Ces enjeux sont associés au transport de particules et de chaleur, déterminés par la turbulence, depuis le plasma centrale vers la zone de bord. Dans cette thèse, nous sommes intéressés par la modélisation de la turbulence dans la région de bord du plasma dans le tokamak. En particulier, nous étudions la configuration divertor, adoptée par la plupart des tokamaks, dans laquelle le plasma central est isolé des parois au moyen d’un champ magnétique additionnel. Cette géométrie magnétique complexe est simulée avec le code de turbulence fluide TOKAM3X, né de la collaboration de l'IRFM au CEA et du laboratoire M2P2 de l'Université Aix-Marseille.
      Une comparaison avec des simulations en géométrie simplifiée montre une nature intermittente similaire de la turbulence. Néanmoins, l'amplitude des fluctuations, maximale au plan équatorial, est fortement réduite près du point X, où les lignes de champ deviennent purement toroïdales, en accord avec les données expérimentales récentes. Les simulations en configuration divertor montrent un confinement significativement plus élevé que en géométrie circulaire. Une inhibition partielle du transport radial de matière au niveau du point X contribue à cette amélioration. Ce mécanisme est potentiellement important pour comprendre la transition du mode de confinement faible au mode de confinement élevé, le mode opérationnel prévu pour ITER.

      Mots clés : Modélisation, tokamak, turbulence, transport, plasma, divertor

      Jury:
      Directeur de these Eric SERRE CNRS M2P2 / AMU
      Rapporteur Paolo RICCI École polytechnique fédérale de Lausanne
      Rapporteur Pascale HENNEQUIN Ecole Polytechnique
      Examinateur Giovanni LAPENTA University of Leuven
      Directeur de these Domiziano MOSTACCI University of Bologna
      CoDirecteur de these Guido CIRAOLO CEA IRFM - Centrale Marseille
      Invité   Benjamin DUDSON   University of York
      Invité   Patrick TAMAIN    CEA IRFM
      6 décembre 2017 - Caractérisation du colmatage des membranes d’ultrafiltration de production d’eau potable par des nanoparticules fluorescentes / Soutenance de thèse Morgane LE HIR
      Doctorante : Morgane Le HIR

      Date et lieu de la soutenance : Mercredi 6 décembre 2017 à 10h15, Amphithéâtre du CEREGE, Europôle de l’Arbois, Aix-en-Provence

      Résumé de la thèse: 
      La production et l’utilisation croissante des nanomatériaux et nanoparticules (NP) dans de nombreux secteurs d’activité conduisent inévitablement à un relargage de NP dans l’environnement et notamment dans les eaux devenant ainsi une pollution émergente dans le schéma de la production d’eau potable. Les membranes d’ultrafiltration (UF), semblent présenter un réel potentiel de rétention envers les NP du fait de leur taille de pores proche de 20 nm. La filtration de NP fluorescentes de diamètre 100, 10 et 1,5 nm en suspensions, seules ou en mélange, a été étudiée. Les tailles des NP ainsi sélectionnées permettent de travailler avec des dimensions plus grandes, plus petite et du même ordre de grandeur que la taille des pores. L’influence des conditions opératoires, à travers la variation de la pression transmembranaire (PTM) et du facteur de concentration volumique (FCV) sur la rétention et la récupération des NP a été traitée par plan d’expériences. La considération de la concentration des flux de la filtration en nombre de NP, notamment grâce à l’utilisation d’un Nanosight NS300, a permis d’estimer le nombre de NP bloquées sur et/ou dans la membrane. Une méthodologie précise et fiable permettant la localisation de ces NP bloquées a été consolidée par une précision de mesure plus importante grâce à une caractérisation multi-échelle. Des profils de pénétration des NP fluorescentes dans la membrane ont été ainsi réalisés grâce à une imagerie au Microscope Confocal à Balayage Laser (MCBL). L’application des modèles de colmatage aux données expérimentales a montré une bonne adéquation avec la localisation microscopique des NP et les résultats expérimentaux obtenus. L’influence des conditions opératoires, de la présence de sel et/ou de la polydispersité de la suspension d’alimentation sur l’établissement et la localisation du colmatage a pu être déterminée.

      Mots clés : Ultrafiltration, nanoparticule, fluorescence, colmatage, caractérisation, eau 

      Jury :
      C. Charcosset, LAGEP Lyon, Rapporteur
      G. Georges, Aix-Marseille Université, Examinateur
      C. Guigui, INSA Toulouse, Rapporteur
      P. Moulin, Aix-Marseille Université, Directeur de thèse
      B. Teychene, Université de Poitiers, Examinateur
      Y. Wyart, Aix-Marseille Université, Co-directeur de thèse
      Membre invité :
      P. Sauvade, Société Aquasource, SUEZ
      17 Novembre 2017 - Généralisation des modèles stochastiques de pression turbulente pariétale pour les études vibro-acoustiques via l'utilisation de simulations RANS / Soutenance de thèse Myriam SLAMA
      Doctorante:  Myriam SLAMA

      Date de soutenance: Vendredi 17 Novembre 2017 à 10:00 Amphithéâtre A de l'Ecole Centrale de Marseille

      Résumé de la thèse:
      Le développement d’une couche limite turbulente sur des structures entraîne des vibrations et des nuisances sonores. Celles-ci sont estimées par des calculs vibro-acoustiques qui nécessitent le spectre de pression pariétale turbulente en fréquence-nombre d’onde. Ce spectre est généralement calculé via des modèles empiriques. Or ces modèles ont un domaine de validité très restreint et ne permettent pas de prendre en compte correctement les effets de gradient de pression dus aux courbures des structures par exemple. Dans le cadre de ces travaux de thèse, une méthode est proposée pour calculer les corrélations spatio-temporelles de pression pariétale à partir d’une solution sous forme intégrale de l’équation de Poisson. Le spectre de pression est obtenu à partir de la transformation de Fourier de ces corrélations. L’expression retenue pour ces dernières fait intervenir les dérivées d’une fonction de Green ainsi que les champs de la vitesse moyenne et des tensions de Reynolds qui sont obtenus par simulation RANS. Elle fait aussi intervenir des coefficients de corrélation de vitesse spatio-temporelle qui doivent être modélisés. Pour cela, un nouveau modèle de coefficient de corrélation spatiale a été développé : l’Extended Anisotropic Model (EAM). Pour réaliser le calcul des corrélations et du spectre de pression, une méthode numérique, appelée KEAM pour Kriging-based Extended Anisotropic Model, a aussi été développée. Elle fait intervenir la modélisation des coefficients de corrélation via l’EAM ainsi qu’une stratégie d’échantillonnage adaptatif combinée à du krigeage. Cette dernière permet de réduire le nombre de valeurs de corrélation de pression nécessaires pour obtenir le spectre de pression pariétale et donc de réduire le temps de calcul. Dans un premier temps, la méthode est appliquée à un écoulement de couche limite turbulente sur plaque plane afin de la valider. Les spectres de pression obtenus concordent bien avec les modèles empiriques. La méthode est ensuite appliquée à un écoulement au-dessus d’un profil NACA-0012 avec un gradient de pression adverse. Le modèle permet de retrouver les tendances observées dans la littérature.  

      Mots clés : turbulence, pression pariétale, formulation intégrale, équation de Poisson

      Jury
      Directeur de thèse Pierre SAGAUT Université d'Aix-Marseille
      Examinateur Cédric LEBLOND         Naval Group
      Rapporteur Luminita DANAILA         Université de Rouen, laboratoire CORIA
      Rapporteur Xavier GLOERFELT ENSAM - Arts et Métiers ParisTech, laboratoire DynFluid
      Examinateur Régis MARCHIANO UPMC, laboratoire d'Alembert
      Examinateur Fabien ANSELMET Ecole Centrale Marseille, laboratoire IRPHE  
      30 novembre 2017 - Dégradation de micropolluants organiques par un bioréacteur hybride / Soutenance de thèse Camille GRANDCLEMENT
      Doctorante : Camille GRANDCLEMENT

      Date et lieu de soutenance : le jeudi 30 novembre 2017 à 10h00 dans le grand amphithéâtre du CEREGE; Arbois

      Résumé des travaux : 
      La présence de micropolluants organiques dans l’environnement et notamment le milieu aquatique, est devenue une préoccupation grandissante au cours des années. En effet, les micropolluants sont éliminés de façon variable par les différents systèmes de traitement des eaux, notamment du fait des propriétés physico-chimiques des composés à traiter mais également des conditions opératoires du traitement appliqué. Ainsi, les stations d’épuration constituent une voie majeure de dissémination de ces composés dans l’environnement. Parmi ces substances chimiques présentes en très faibles concentrations, les composés pharmaceutiques et les pesticides doivent être suivis et traités car ils peuvent avoir des effets indésirables sur les organismes une fois rejetés dans l’environnement. La biodégradation étant un des mécanismes de transformation dominant pour les micropolluants, les procédés biologiques, et notamment les procédés hybrides (biomasse libre et fixée), semblent pertinents pour les éliminer efficacement. Dans ce travail, nous nous sommes focalisés sur la biodégradation de la carbamazépine, du diclofénac et du diuron par des microorganismes sélectionnés en utilisant un bioréacteur hybride. La méthodologie proposée a reposé sur la mise en place de tests de biodégradation en batch afin de sélectionner des microorganismes pertinents pour la dégradation des molécules cibles, avant de travailler avec un bioréacteur hybride. Les souches sélectionnées ont permis de dégrader complètement le diclofénac par co-métabolisme en moins de 24 heures et ont montré des résultats encourageants en 72 heures pour les autres composés. Un sous-produit a pu être identifié et son écotoxicité a été comparée à celle du diclofénac. L’efficacité des souches a ensuite été évaluée sur des bioréacteurs hybrides prototypes sous différentes conditions. Bien que l’élimination du diclofénac ait été importante en conditions stériles, la cinétique observée était plus faible. La carbamazépine et le diuron ont quant à eux été faiblement éliminés. Une optimisation des paramètres et l’acclimatation des microorganismes sélectionnées pourraient permettre d’améliorer les résultats, notamment en conditions non stériles.

      Mots clés : Traitement de l’eau, Micropolluants, Procédé hybride, Biodégradation, Ecotoxicité

      Jury

      Pr. Damia Barcelo, Professeur, Université de Barcelone
      Pr. Christophe Dagot, Professeur, Université de Limoges
      Pr. Elena Gomez, Professeur, Université de Montpellier
      Dr. Aurore Zalouk-Vergnoux, Maître de conférence, Université de Nantes
      Dr. Anne Piram, Maître de conférence, Aix Marseille Université
      Pr. Nicolas Roche, Professeur, Aix Marseille Université
      Dr. Isabelle Seyssiecq, Maître de conférence, Aix Marseille Université
      Pr. Pierre Doumenq, Professeur, Aix Marseille Université

      Membres invités :
      M. Guillaume Vanot, Société Seakalia
      M. Samuel Bernard, Société Occitane d'Environnement
      12 octobre 2017 - Cristallisation par procédé Supercritique Anti-Solvant (SAS) : influence des conditions opératoires sur le polymorphisme des cristaux / Soutenance de thèse Samia ABDELLI - HAROUN
      Doctorante: Samia ABDELLI - HAROUN

      Date de soutenance :  jeudi 12 octobre à 15h, la soutenance se déroulera dans la salle des thèses à Saint-Jérôme (la salle est située au rez- de - chaussée du département des longues)

      Résumé des travaux :

      Ce travail de thèse de doctorat a eu pour objectif d’étudier la cristallisation d’un principe actif pharmaceutique, le sulfathiazole, par procédé Supercritique Anti-Solvant. Nous nous sommes plus particulièrement intéressés à l’influence des conditions opératoires sur les caractéristiques des cristaux générés en termes de taille, nature polymorphique et faciès. Une attention plus particulière a été portée sur la nature polymorphique des cristaux formés en regard des conditions thermodynamiques et hydrodynamiques du milieu de cristallisation. En effet, le polymorphisme concerne plus de 80% de molécules pharmaceutiques et l’obtention d’une forme polymorphique non désirée peut avoir des conséquences dramatiques sur la biodisponibilité du médicament ou sur sa stabilité dans le temps. Lors d’une campagne expérimentale de cristallisation, nous avons fait varier la température (313 K et 328 K), la pression (10 et 20 MPa), le rapport molaire solvant/CO2 (2,5 à 15%) et la concentration massique de la solution organique (0,5 à 1,8%). Le caractère original de ce travail est que nous avons également étudié l’influence de la durée de l’étape de cristallisation sur les caractéristiques des cristaux formés. Ce paramètre est particulièrement important et à prendre en compte lors du changement d’échelle. Plusieurs expériences ont été réalisées pour des durées de précipitation différentes, de 4, 5 et 8 h. Nous avons également étudié au préalable les équilibres de phases et mesuré les solubilités du principe actif dans la phase fluide afin de connaître l’état de sursaturation dans le milieu de cristallisation pour toutes les conditions étudiées.


      Les résultats ont montré que dans certaines conditions la forme polymorphique IV (la plus stable à pression ambiante) est obtenue pure alors que dans d’autres conditions elle est obtenue en mélange avec la forme instable I. Nous avons par ailleurs observé une variation des caractéristiques des cristaux en fonction de la durée de l’étape de cristallisation. Dans les conditions correspondant à de faibles sursaturations et à des phénomènes de transfert limités, la forme IV est initialement obtenue alors que la formation de la forme I est ensuite favorisée au cours du temps. Ces résultats démontrent clairement l’importance du contrôle de la durée de l’étape de cristallisation par le procédé SAS.

      Jury :

      Dr. Pascale SUBRA-PATERNAULT           Université de Bordeaux                                  

      Pr. Denis MANGIN                                      Université de Lyon I

      Examinateur :

      Dr. B. CALVIGNAC                                    Université d’Angers

      Directrices de thèse :

      Pr. Elisabeth BADENS                                 Aix-Marseille Université

      Dr. Yasmine MASMOUDI                           Aix-Marseille Université

       

      21 juillet 2017 - Caractérisation du colmatage chimique et biologique et leurs interactions au sein d’un dispositif de micro-irrigation dans le contexte de la réutilisation des eaux usées épurées en irrigation / Soutenance de thèse Nancy RIZK
      Doctorante: Nancy RIZK

      Date de soutenance: le 21 juillet 2017 à 10h30 au centre IRSTEA de Montpellier

      Résumé des travaux :
      Dans le contexte d’un changement global atteignant les paramètres hydro-écologiques et biodémographiques généraux, la micro-irrigation utilisée en agriculture avec des eaux usées traitées constitue une approche prometteuse visant à réduire les dépenses en eau. Cependant, le colmatage des systèmes de micro-irrigation constitue une contrainte à l’utilisation de ces eaux contenant des micro-organismes, nutriments et sels dissous. Ces contaminants peuvent entrainer des précipitations chimiques avec développement de biofilms qui dégradent les performances des systèmes d’irrigation. Consécutivement on peut ainsi situer les objectifs de cette étude: i) Caractériser la précipitation des sels dissous due aux variations des conditions opératoires le long des systèmes de micro-irrigation, ii) étudier le développement des biofilms par l’utilisation d’une eau usée traitée sous différentes conditions hydrodynamiques, iii) analyser certaines interactions entre la précipitation chimique et le développement du biofilm. En premier lieu une étude a été conduite sur l’impact des paramètres qui influent sur la précipitation chimique, comme la température le pH et la pression partielle du CO2. Cette étude a permis de quantifier l’augmentation de la masse du précipité produit sous forme de calcite (carbonate de calcium) en fonction de l’augmentation du pH et de la température. Les résultats expérimentaux ont permis de valider et de calibrer la modélisation de la précipitation sous PHREEQC. Cette modélisation permet de prédire et de quantifier la précipitation chimique pour une qualité d’eau donnée dans des conditions opératoire variées de pH, de température et de pression partielle du CO2. Des expérimentations ont ensuite été réalisées à l’aide d’un banc d’essai d’irrigation pour étudier l’influence du carbonate de calcium sur la croissance des biofilms au niveau des conduites de micro-irrigation et des goutteurs (organe de distribution). En parallèle un réacteur de Taylor-Couette (RTC) fut utilisé pour étudier l’influence de la contrainte de cisaillement sur le développement des biofilms. Selon la position dans le système d’irrigation, 3 contraintes de cisaillement ont été identifiées puis analysées. Dans la conduite une contrainte de 0.7 Pa a été retenue et 2.2 et 4.4 Pa dans les goutteurs. On constate que le biofilm a tendance à se développer sous la plus forte contrainte de cisaillement. Une précipitation du carbonate de calcium sous forme de calcite, à été observée en interaction avec la croissance du biofilm.

      Mots-clés: Biofilm, carbonate de calcium, contrainte de cisaillement, précipitation chimique, PHREEQC.

      Jury :

      Dr. Nassim AIT MOUHEB Chargé de recherche G-EAU, IRSTEA, Montpellier Examinateur
      Pr. Christophe DAGOT Professeur Université de Limoges Rapporteur
      Dr. Renauld ESCUDIE Directeur de recherche LBE, INRA, Narbonne Rapporteur
      Pr. Marc HERAN Professeur Université de Montpellier Examinateur
      Dr. Bruno MOLLE Ingénieur de Recherche G-EAU, IRSTEA, Montpellier Examinateur
      Pr. Nicolas ROCHE Professeur Université d’Aix-Marseille Directeur de thèse

       

      5 juillet 2017 - Mise en forme et enrobage d’ingrédients pharmaceutiques par procédés supercritiques / Soutenance de thèse Rania DJERAFI
      Doctorante: Rania DJRAFI

      Date de soutenance: le 5 juillet à 14h30 - Grand Amphi du CEREGE / Arbois

      Résumé des travaux :
      Ce travail de thèse a été dédié à l'élaboration de formulations de médicaments par procédé Supercritique Anti-Solvant (SAS). L'étude a été divisée en deux sections : la production de co-précipités de médicament / polymère en utilisant le procédé SAS et l’enrobage de particules de taille micrométrique en utilisant un lit fluidisé couplé au procédé SAS. L'éthyl cellulose a été choisi comme polymère biocompatible pour la préparation des deux systèmes. La micronisation de l'éthyl cellulose par procédé SAS a été réalisée avec succès ; des particules submicroniques ayant une taille moyenne de 300 nm ont été obtenues. Des formulations composites micronisées, de quercétine et de rifampicine avec de l'éthyl cellulose, ont été élaborées par co-précipitation à pression et température modérées (10 MPa et 35 °C). Selon les conditions opératoires utilisées, des tailles et distributions de taille des particules, des morphologies, mais aussi des taux de cristallinité et des taux de chargement du médicament différents ont été observés. La co-précipitation de la quercétine avec de l'éthyl cellulose a conduit à l'obtention de particules quasi-sphériques amorphes avec une taille moyenne comprise entre 150 et 350 nm et avec une efficacité d'encapsulation élevée allant jusqu'à 98%, permettant ainsi une bonne stabilité dans le temps de la quercétine encapsulée contre l'oxydation. Des co-précipités de taille submicronique chargés par la rifampicine avec des granulométries comprises entre 190 et 230 nm ont été obtenus avec une efficacité d'encapsulation élevée allant jusqu'à 96%. La forme amorphe des co-précipités est restée stable après 6 mois de stockage à 75% d'humidité relative et à température ambiante. Les études de libération in vitro ont montré une libération prolongée de la rifampicine à partir des co-précipités.

      L'étude de faisabilité d'une nouvelle méthode d’enrobage par lit fluidisé en milieu supercritique couplé à l'utilisation du procédé SAS a été réalisée. Ce procédé vert alternatif permet d’enrober des particules micrométriques avec peu d'agglomération et une bonne qualité du film d’enrobage. Des expériences d’enrobage de billes de verre ont été effectuées dans des conditions opératoires variées pour deux configurations d'injection différentes, pulvérisation par le haut ou par le bas de l’autoclave. De meilleurs résultats ont été obtenus dans les expériences de pulvérisation par le haut, notamment en termes de qualité du film d’enrobage. Ce travail de thèse apporte des éléments nouveaux et pertinents pour un meilleur contrôle des procédés d’enrobage en milieu supercritique.

      Mots-clés : Systèmes de délivrance de médicaments, procédé anti-solvant, fluidisation, co-précipitation, enrobage.

      Jury:

      Rapporteurs :

      Pr Jacques FAGES

      Ecole des Mines d’Albi-Carmaux

      Dr Soraya RODRIGUEZ

      Université de Valladolid

      Examinateur :

      Pr Abdeslam MENIAI

      Université de Constantine 3

      Directrices de thèse :

      Pr Elisabeth BADENS

      Aix-Marseille Université – Marseille

       

      Dr Christelle CRAMPON

      Aix-Marseille Université – Marseille

       

      Dr Yasmine MASMOUDI

      Aix-Marseille Université – Marseille

       

      19 Juin 2017 - Le fractionnement supercritique applique à des composes d’intérêt industriel / Soutenance de thèse Cyril DUFOUR
      Doctorant Cyril DUFOUR

      Date de soutenance: Lundi 19 juin 14h30 - Amphi du CEREGE

      Résumé:
      Le fractionnement par CO2 supercritique est un procédé séparatif très sélectif mais encore peu exploité à l’échelle industrielle. L’industrie des plantes à parfum est en recherche constante de techniques séparatives permettant la purification de molécules d’intérêt issues d’extraits végétaux. Les travaux de cette thèse ont eu pour objectif de mettre en avant le potentiel du fractionnement supercritique et d’étudier ses performances lorsqu’il est appliqué à des mélanges complexes. L’étude a été focalisée sur la purification du sclaréol contenu dans un mélange complexe. Pour cela, une étude préliminaire a permis d’identifier l’alimentation ayant les propriétés les plus adaptées à un fractionnement supercritique. Des mesures de masses volumiques, de viscosités et d’équilibres de phases ont été réalisées pour caractériser les différents types d’alimentation, mais aussi identifier les conditions opératoires les plus favorables pour mettre en place un fractionnement supercritique sélectif. Par la suite, une première phase expérimentale de fractionnement supercritique a été menée à température constante sur une colonne garnie d’une hauteur utile de 2,6 m pour un diamètre interne de 30 mm. Ces essais ont permis de montrer les paramètres opératoires les plus influents sur la purification du sclaréol. Certains de ces résultats ont pu être modélisés avec succès à l’aide d’un modèle simple. Une seconde phase expérimentale a permis de mettre en évidence l’intérêt d’un reflux interne pour augmenter la sélectivité de la séparation. Enfin, un couplage du fractionnement supercritique avec la distillation moléculaire a été proposé pour ouvrir une nouvelle voie dans la chaîne de purification du sclaréol. Une amélioration significative du taux de pureté en sclaréol et du rendement a été démontrée. 

      Mots clés: fractionnement supercritique, sclaréol, plan d’expériences, modélisation.

      Rapporteurs :
      Dr Séverine CAMY   
      ENSIACET – Toulouse
      Pr Xavier FERNANDEZ   
      Université Nice – Sophia Antipolis

      Examinateur :
      Dr Hubert Alexandre TURC   
      LPSD – CEA Marcoule

      Co-encadrants :
      Mme Claire DELBECQUE   
      Bontoux SAS –Saint-Auban-sur-l’Ouvèze
      M Pierre-Philippe GARRY   
      Bontoux SAS –Saint-Auban-sur-l’Ouvèze

      Directrices de thèse :
      Pr Elisabeth BADENS   
      Aix-Marseille Université – Marseille
      Dr Christelle CRAMPON   
      Aix-Marseille Université – Marseille

       
      19 Mai 2017 - "Applicabilité de la réduction de modèles à la conception aérothermique collaborative des systèmes d'air secondaire des turbomachines" / Soutenance de thèse Pierre COSTINI
      Doctorant Pierre COSTINI

      Date de soutenance: Vendredi 19 Mai  à 14h00 dans l’amphithéâtre A ( ECM )

      Résumé:
      La conception de turboréacteurs nécessite la capacité de réaliser des calculs thermiques couplés instationnaires sur un moteur complet et l'intégralité d'une mission du moteur monté. Pour faire face à ce besoin quotidiennement en bureaux d'études, l'approche de conception actuelle emploie des modèles simplifiés de l'écoulement interne de refroidissement, basés en grande partie sur l'expérience accumulée au cours des programmes moteurs précédents. 
      Les futurs concepts de moteurs, attendus comme plus en rupture avec les architectures actuelles, risquent par conséquent de sortir du domaine de validité de ces modèles simplifiés. Ceci crée un besoin pour des approches de modélisation alternatives afin de faire face à ces situations hors domaine d'expérience.\par 
       
      Les méthodes actuelles de calcul haute fidélité impliquant des calculs de mécanique des fluides numérique sont suffisamment générales et précises pour être appliquées à ces problématiques. Néanmoins, ces approches souffrent toujours d'un temps de restitution inadapté pour traiter de longs calculs couplés transitoire sur une mission complète en bureaux d'études. Une réponse séduisante à cette contradiction serait la construction de modèles de remplacement moins coûteux à partir de l'exploitation en amont de ces modèles haute fidélité. Ces modèles de coût réduit pourraient ensuite être intégrés dans un modèle simplifié d'écoulement dans le système d'air secondaire. Cette solution est explorée dans cette thèse qui investigue son applicabilité pour la modélisation aérothermique d'ensemble. 
       
      Dans le contexte industriel, les approches de réduction de modèles non intrusives sont favorisées. Elles se heurtent toutefois rapidement au "fléau de la dimensions" lorsque le nombre de paramètres d'entrée augmente, comme c'est le cas en pratique pour espérer les utiliser en bureaux d'études. Pour contourner cette difficulté, une approche basée sur l'application de la Décomposition Orthogonale en modes Propres pour réduire simultanément les dimensions des espaces d'entrée et de sortie est  proposée puis appliquée sur un cas simple de cavité aval de turbine basse pression fictive. Cette approche est rendue possible par le couplage des modèles de référence de l'écoulement et de la structure lors de la phase d'échantillonnage. A conditions limites d'entrée du fluide fixées, les modèles réduits construits à partir des premiers échantillons de couplage permettent une bonne approximation du modèle de référence jusqu'à la convergence. Des résultats encourageants sont obtenus à conditions limites variables, ouvrant la voie à une intégration de ces modèles réduits dans des modèles d'ensemble.
       
      Mots clés : turboréacteur, système d'air secondaire, réduction de modèle, modèle de remplacement, écoulement, Kriging, ANOVA, décomposition orthogonale en modes propres, couplage, thermique d'ensemble, réseau fluide

      Jury:

      M. Pierre SAGAUT Université Aix-Marseille Directeur de these
      Mme Maria Vittoria SALVETTI Università di Pisa Rapporteur
      M. Angelo IOLLO Université de Bordeaux et Inria Bordeaux Sud-Ouest Rapporteur
      M. Eric SERRE Université Aix-Marseille, CNRS Examinateur
      M. Sébastien DA VEIGA Safran Tech Examinateur
      M. Jean-Christophe JOUHAUD CERFACS Examinateur
      M. Michel BERGMANN INRIA Examinateur
      M. Thomas FEDERICI Safran Tech Invité
      15 Décembre 2016 - "Développement d'un dispositif de production et de purification portatif d'un médicament : Application à la mucoviscidose" / Soutenance de thèse Sophie ARENILLAS
      Doctorant: Sophie ARENILLAS

      Date de soutenance: jeudi 15 décembre à 10h à l'Europôle de l'Arbois (huit clos)

      Résumé:
      La mucoviscidose est une maladie génétique mortelle qui limite ou empêche la production de composés antimicrobiens tels que l’hypothiocyanite (OSCN-) et la lactoferrine. L’objectif de cette étude est de produire un médicament contenant ces deux composés antimicrobiens (10 mL). Cependant l’hypothiocyanite est instable et nécessite une production juste avant administration. Pour cela, une unité de production de médicament portable, destinée à une utilisation par le patient à domicile, est développée avec un appareil réutilisable comprenant le système de pilotage du procédé et une cassette jetable composée par le circuit fluidique et le module membranaire. Le développement du circuit fluidique associé à un module membranaire nécessaire à la purification de l’hypothiocyanite, présent dans le milieu réactionnel, en prenant en compte les contraintes pharmaceutiques, constitue le verrou scientifique et technologique de cette thèse. Au travers de deux géométries membranaires testées, l’étude des paramètres opératoires pour la réalisation de la réaction enzymatique (mécanique des fluides, ultrafiltration, réaction) a permis de mieux appréhender et d’optimiser la production d’hypothiocyanite mais aussi de mettre en évidence les paramètres clés de l’élimination de la glycérine, présente initialement dans les membranes. En parallèle des essais cliniques modifiant les contraintes imposées, l’unité de production et la cassette jetable développées ont permis d’obtenir des résultats proches de ces nouvelles contraintes.


      Jury
      Philippe BORDEAU, Directeur de recherche, Alaxia, Lyon

      Eric FAVRE,  Professeur des Universités, LRGP, Nancy
      Emmanuel MONNIN, Chef de projet, Eveon, Montbonnot Saint Martin
      Philippe MOULIN, Professeur des Universités, Aix Marseille Université
      Christophe SERRA, Professeur des Universités, Institut Charles Sadron, Strasbourg
      Christelle WISNIEWSKI, Professeur des Universités, Faculté des Sciences pharmaceutique et biologiques, Montpellier
      16 novembre 2016 - "Modélisation et simulation numérique d’écoulements au voisinage de parois biologiques ciliées et de revêtements aéronautiques bioinspirés" / HDR Julien FAVIER
      Soutenance HDR:  Julien FAVIER

      Date de soutenance: Mercredi 16 novembre dans l’amphithéâtre ECM

      Résumé:
      Cette présentation synthétisera dix années de recherche en simulation numérique d’écoulements de fluides en interaction avec des structures à géométries complexes ou déformables. Ce travail comprend une composante méthodologique numérique forte, centrée sur les frontières immergées. Le premier domaine d’application concerne l’étude des écoulements biologiques, avec la nage de micro-organismes par propulsion ciliaire et le transport de fluide par cellules épithéliales ciliées dans le corps humain. L’autre secteur applicatif de ces recherches concerne l’amélioration de performances aérodynamiques, par le développement de concepts de contrôle d’écoulements biomimétiques, avec l’étude de revêtements aéronautiques inspirés de plumage ou de peaux d’animaux.


      Le jury sera composé de :

      Jean-Paul Bonnet (Rapporteur)
      Alessandro Bottaro 
      Pascal Chanez 
      Bastien Chopard (Rapporteur)
      Uwe Ehrenstein 
      Franck Nicoud (Rapporteur)
      Alfredo Pinelli 
      Pierre Sagaut
      9 décembre 2016 - "Etude du couplage d'un procédé d'oxydation en voie humide et d'un bioprocédé à biofilm aérobie en lit fixe pour le traitement de composés organiques réfractaires aux traitements conventionnels" / Soutenance de thèse Marine MINIERE
      Doctorant: Marine MINIERE

      Date de soutenance: le vendredi 9 décembre à 9h dans l'amphithéâtre du CEREGE à l'Europôle de l'Arbois. 

      Résumé :

          Le couplage d’une oxydation en voie humide (OVH) et d’un réacteur à biofilm aérobie en lit fixe (PBBR) a été étudié afin d’évaluer sa faisabilité pour le traitement d’un effluent donné, d’une part, et de modéliser et simuler le procédé couplé en vue de l’évaluation de ses performances énergétiques et de son coût d’investissement, d’autre part. Afin de valider la démarche, deux composés modèles ont été sélectionnés : le phénol, représentatif des margines, et le colorant Acid Orange 7, représentatif de certains effluents textiles.
            Dans un premier temps, l’OVH du composé modèle a été étudiée afin de sélectionner des conditions opératoires permettant la formation d’un effluent adapté au traitement biologique. Des PBBR ont ensuite été développés : l’influence de l’acclimatation au composé modèle et de la configuration du réacteur (courant descendant ou ascendant) a été étudiée. Enfin, les PBBR ont été alimentés par l’effluent pré-oxydé afin de conclure sur la faisabilité du procédé couplé. Dans un second temps, l’OVH du composé modèle a été simulée sur ProsimPlus® via des données thermodynamiques, hydrodynamiques et cinétiques – issues de la littérature et/ou expérimentales. De même, un modèle de PBBR a été développé à partir de données physiques et cinétiques issues de la littérature, a été validé expérimentalement, puis implémenté sur ce même logiciel. Ainsi, le traitement par procédé couplé OVH – PBBR des effluents sélectionnés a été simulé. Dans les deux cas, la faisabilité du couplage OVH – PBBR a été démontrée expérimentalement, le réacteur biologique permettant d’affiner le traitement du composé modèle et/ou du COT, avec des abattements allant jusqu’à 99% et 96% respectivement. De plus, via les simulations, un bilan énergétique positif a été déterminé – indiquant le potentiel autothermique du procédé couplé – ainsi qu’une économie significative sur le coût d’investissement de l’OVH, validant ainsi l’intérêt du couplage.

      Le jury sera composé de :


      Mme Laure MALLERET, maître de conférence, Aix Marseille Université

      M. Florent CHAZARENC, maître assistant, Ecole des Mines de Nantes

      Mme Esther ALONSO, Professeur, Université de Valladolid

      M. Eric OLMOS, Professeur, Université de Lorraine

      M. Olivier BOUTIN, Professeur, Aix Marseille Université

      Mme Audrey SORIC, Maître de conférence, Ecole Centrale Marseille


      8 novembre 2016 - "Immersed Boundary model for the simulation of fluid flows in interaction with moving porous structures" / Soutenance de thèse Marianna PEPONA
      Doctorant: Marianna PEPONA

      Date de soutenance: Mardi  8 novembre dans l’amphithéâtre ECM

      Abstract:
      A wide spectrum of engineering problems is concerned with fluid flows in interaction with porous structures, ranging from small length-scale problems - encountered, for instance, in biological and biomedical applications - to large ones - for example, in aeronautics. These structures, often of complex geometry, may move/deform in response to the forces exerted by the surrounding flow. Despite the advancements in computational fluid dynamics, the numerical simulation of such configurations - a valuable tool for the study of the flow physics involved - remains a challenging task.

      The aim of the present work is to propose a numerical model for the macroscopic simulation of fluid flows interacting with moving porous media of complex geometry, that is easy to implement and can be used in a range of applications. To achieve this, the lattice Boltzmann method is employed for solving the flow in porous media at the representative elementary volume scale. For the implementation of the desired body motion, the concept of the Immersed Boundary method is adopted. In this context, a novel model is proposed for dealing with moving volumetric porous media, whose resistance to the surrounding flow obeys the Brinkman-Forchheimer- extended Darcy law. This generalized porous model is suitable for both low- and high-velocity flows, where the near wall effects are crucial.

      To validate this novel simulation technique, several configurations have been considered. The algorithm is initially tested for flow past a static cylinder. The simplicity of this academic test case allows us to assess in detail the accuracy of the proposed method. The model is later used to simulate fluid flows around and through moving porous bodies, both in a confined geometry and in open space. We are able to demonstrate the Galilean invariance of the macroscopic volume-averaged flow governing equations. Excellent agreement with reference results is obtained in all cases.

      The present model forms the numerical base for simulating fluid flows interacting with deformable porous media.


      Le jury sera composé de :

      Julien FAVIER 
      Li-Shi LUO (Rapporteur)
      Orestis MALASPINAS 
      Alfredo PINELLI 
      Pierre SAGAUT 
      Stéphane ZALESKI (Rapporteur)

      26 Juillet 2016 - "Suivi de réactions biochimiques par calorimétrie en vue de la production de biocarburants de 2ème génération" / Soutenance de thèse Djida Tafoukt
      Doctorant: Djida TAFOUKT

      Directeurs de thèse: 

      M. Jean-Henry FERRASSE, Dr, Université Aix Marseille

      Mme Audrey SORIC, Dr, Ecole Centrale de Marseille


      Date de soutenance: Mardi  6 juillet à 10h00 dans l’amphithéâtre  du CEREGE à l'europôle de l'Arbois

      Résumé:

      The potential of isothermal calorimetry to monitor biochemical transformation such as enzymatic hydrolysis is tested. Isothermal calorimetry is an effective method to determine the optimum temperature of the enzymes used for hydrolysis and to highlight the amount of substrate and enzyme ratio, an important parameter of the hydrolysis yield. Furthermore it has been determined that a better enzyme cocktail consisting of Cellulases + Cellobiose Dehydrogenase (CDH)  allows the production of gluconic acid, which could improve the attractiveness of these biofuels. In the same run, the heat of hydrolysis of wheat straw has been measured for the first time. The value of this heat is very low and in the same order of magnitude than a standard cellobiose. By deriving the calorimetric signal, consistant kinetic parameters for hydrolysis have been obtained. 

      The effect of cellulases + CDH on wheat straw is that this enzyme cocktail is faster at 45 °C in the range of temperatures tested with a rate of 7,36 ± 0,62 mmol/L.min. In addition, runs with a reaction calorimeter of 1L showed that even if not  measured accurately, the heat generated by the hydrolysis reaction and fermentation gives a clear indication of the development and advancement of these reactions.


      Le jury sera composé de :

      M. Jean-Louis FANLO, Pr, École des Mines d’Alès

      M. Marc HERAN, Pr, Université de Montpellier

      M. Jean-Claude SIGOILLOT, Pr, Université Aix Marseille 

      M. Erwin FRANQUET, Dr, Université de Pau et des Pays de l’Amour

      M. Jean-Henry FERRASSE, Dr, Université Aix Marseille

      Mme Audrey SORIC, Dr, Ecole Centrale de Marseille

      6 Juillet 2016 - "Conception et mise en place d'un co-gazéifieur pilote de mélanges boues - déchet en lit fluidisé bouillonnant " / Soutenance de thèse Salah AKKACHE
      Doctorant: Salah AKKACHE

      Directeur de thèse:  Nicolas ROCHE
      Co-Directeur de thèse:  Jean-Henry FERRASSE

      Date de soutenance: Mercredi  06 juillet à 10h30 dans l’amphithéâtre  du CEREGE à l'europôle de l'Arbois

      Résumé:

             Les boues de stations d’épurations sont un combustible difficile à valoriser par voie thermochimique à cause des fortes teneurs en eau, en azote et en fraction minérale. La co-gazéification avec d’autres gisements pourrait compenser ces faiblesses. Afin d’étudier la faisabilité de ce procédé, un pilote industriel de de co-gazéification en lit fluidisé bouillonnant est conçu.

             Six co-combustibles potentiels ont été présélectionnés, à partir d’un large panel de gisements issus de la région PACA. La démarche expérimentale de ce travail concerne trois volets principaux qui consistent à :

      I. Etudier la faisabilité technique de co-gazéification à l’échelle laboratoire en vue de déterminer quel co-combustible est apte à compenser les faiblesses que présentent les boues.

      II. Dimensionner du réacteur de co-gazéification en lit fluidisé.

      III. Etudier le comportement en fluidisation des gisements sélectionnés dans une maquette à température ambiante en mélange avec du sable.

             Les résultats indiquent que les tous les gisements retenus sont apte à être valorisés par co-gazéification. L’aptitude à la fluidisation des combustibles seuls est médiocre, l’utilisation de sable permet de l’améliorer. Un critère prédictif de la capacité maximale des lits fluidisés à contenir des déchets a été développé, une corrélation prédictive de la vitesse minimum de fluidisation de mélanges dissimilaires est également proposée. La teneur en combustible ne doit pas excéder les 10% en masse pour garantir une fluidisation correcte. Une vitesse de trois fois la vitesse minimale de fluidisation de l’inerte est la limite basse qui garantit un bon mélange.

      Jury :

      Rapporteurs

      Frediric MARIAS      Pr Université de Pau

      Ange NZIHOU         Pr Ecole des Mines d'Albi-Carmaux 

      Examinateur 

      Franck GELIX          Dr Veolia Recherche Innovation

      6 Avril 2016 - “Etude et Modélisation des Forces Fluides Fluctuantes s’Exerçant sur les Crayons Combustibles en Réacteur à Eau Pressurisée” / Soutenance de thèse Saptarshi BHATTACHARJEE
      Doctorant: Saptarshi BHATTACHARJEE (soutenance en anglais)

      Directeur de thèse:  Stéphane VIAZZO
      M2P2, CNRS, Aix-Marseille Université, 13451 Marseille

      Co-Directeur de thèse:  Guillaume RICCIARDI
      CEA Cadarache, DTN/STCP/LHC, 13108 St. Paul lez Durance  

      Date de soutenance: le 6 Avril 2016 à 14h au  Chateau de Cadarache, CEA Cadarache, 13115 St Paul lez Durance

      Résumé:
      Les vibrations induites par l’écoulement dans le cœur du réacteur à eau pressurisée (REP) peuvent provoquer une usure par frottement des crayons combustibles par friction au niveau des contacts entre la cellule de grille et les crayons des assemblages combustibles. Cela peut entraîner des dommages irréversibles de la gaine du crayon combustible et compromettre la première barrière de sûreté du réacteur. Assurer l’intégrité de la gaine est une préoccupation majeure dans la sûreté du réacteur. Par conséquent, il est n´nécessaire d’améliorer les connaissances sur les forces fluides agissant sur les crayons. Cependant, les spectres d’excitation de ces forces fluides ne sont pas bien connus. Le but de cette thèse est d’utiliser des éléments géométriques simples pour reproduire des cellules de grilles d’un REP. Tout d’abord, des simulations des grandes échelles ont été effectuées sur une conduite annulaire concentrique avec différents maillages en utilisant le code TrioCFD (précédammant Trio_U) développé par le CEA. Une étude de sensibilité de maillage a été réalisée afin de proposer un maillage reproduisant correctement les résultats de la  littérature. Ces informations de résolution de maillage ont été utilisées lors de la réalisation des simulations en utilisant divers obstacles géométriques intérieurs à la conduite, i.e., des ailettes de mélange, une grille circulaire et une combinaison de grille carrée et d’ailettes de mélange. La dernière des trois configurations est la plus proche d’un REP. Un maillage structuré a été généré dans le cas de la conduite annulaire et dans le cas de la grille circulaire. Un maillage hybride a été utilisé dans le cas des ailettes de mélange et dans le cas de cellule de grille carrée : le maillage est non-structuré autour des obstacles et structuré dans le reste du domaine. La paroi interne du domaine représente la gaine du crayon combustible. Les caractéristiques hydrauliques ainsi que la pression pariétale ont été analysées dans chaque cas. Il apparaît que la grille carrée est une combinaison approximative du cas des ailettes de mélange et du cas de la grille circulaire. Les résultats des simulations ont été comparés avec des mesures réalisées au CEA Cadarache. De plus, des comparaisons préliminaires ont été effectuées avec certains modèles empiriques classiques.  

      Mots-clés : simulation des grandes échelles, fluctuations de pression pariétale, cellule de grille, ailettes de mélange, CFD, Trio_U, TrioCFD.
      29 Janvier 2016 - "Imprégnation supercritique pour l’élaboration de systèmes de délivrance de médicaments" / Soutenance de thèse Abir BOULEDJOUIDJA
      Doctorante: Abir BOULEDJOUIDJA

      Directrices de thèse:

      Pr. Elisabeth BADENS AMU

      Dr. Yasmine MASMOUDI AMU

      Date de soutenance: le 29 Janvier 2016 à 10h à l’Amphithéatre du CEREGE sur le site de l’Europôle de l’Arbois à Aix en Provence.


      Résumé
      Le procédé d’imprégnation en milieu supercritique est une alternative « propre » à l’imprégnation par voie liquide. Entre autres applications, les procédés d’imprégnation peuvent être utilisés pour l’élaboration de systèmes de délivrance de médicaments appliqués aux domaines pharmaceutique et médical. Cette étude porte sur l’élaboration de systèmes de délivrance de médicaments en utilisant l'imprégnation supercritique de principes actifs sur deux types de supports : des matrices polymériques (lentilles intraoculaires) et des matrices poreuses (silice mésoporeuse). Dans le premier cas, des lentilles polymériques intraoculaires (IOLs), utilisées pour la chirurgie de la cataracte, ont été imprégnées par un anti-inflammatoire (Dexaméthasone 21-phosphate disodium: DXP) et un antibiotique (Ciprofloxacine: CIP). Plus particulièrement, deux types de lentilles ont été étudiés : des IOLs rigides à base de PMMA et des IOLs souples à base de P-HEMA. Les expériences d'imprégnation supercritique ont été effectuées en mode batch et les taux d'imprégnation ont été déterminés par des études de cinétique de relargage des principes actifs dans une solution simulant l’humeur aqueuse. L’influence des conditions opératoires sur l’efficacité de l’imprégnation a été étudiée en réalisant des expériences d’imprégnation préliminaires suivies par des plans d’expériences. Des lentilles transparentes présentant une imprégnation effective ont été obtenues. Les taux d’imprégnation les plus élevés obtenus pour l’imprégnation du DXP et CIP dans le PMMA sont de 18,3 et 2,8 µgdrug /mgIOL respectivement et les taux d’imprégnation les plus élevés obtenus pour l’imprégnation du DXP et CIP avec le P-HEMA sont de 14,5 et 4,1 µgdrug /mgIOL respectivement. Ces résultats indiquent une plus grande affinité du DXP pour les PMMA et P-HEMA IOLs que pour la CIP, ce qui a été confirmé par les valeurs du coefficient de partage obtenues. En dépit de la faible solubilité de chaque principe actif dans la phase fluide, une imprégnation homogène et en profondeur dans les IOLs (PMMA et P-HEMA) a été observée. Un relargage prolongé dans le temps durant 40 jours a été obtenu pour la plupart des expériences d'imprégnation (pour les deux types d'IOLs). Dans le second cas, une silice mésoporeuse a été utilisée comme support d’imprégnation pour un médicament faiblement hydrosoluble (Fénofibrate), afin d’augmenter sa cinétique de dissolution. L’imprégnation supercritique a été effectuée avec le CO2 pur en faisant varier la pression entre 100 et 200 bar et les conditions de dépressurisation (rapide et lente). Tandis que l’imprégnation supercritique a permis d’obtenir des taux d’imprégnation pouvant atteindre 485 µgdrug/mgIOL durant 120 min d’imprégnation, l’imprégnation conventionnelle a permis d'obtenir des taux de 300 µgdrug/mgsilica après une imprégnation de 48 h. Un faible degré de cristallinité (de l’ordre de 1%) comparable pour les deux techniques d’imprégnation a été obtenu.

      Mots-clés: systèmes de délivrance de médicament, imprégnation supercritique, lentilles intraoculaires, silice mésoporeuse.

      Discipline : GÉNIE DES PROCÉDÉS

      La soutenance se fera devant le jury suivant
      Rapporteurs:
                Dr. Stéphane SARRADE, CEA Saclay - Saclay  
                Dr. Vivek TRIVEDI,  Université de Greenwich - Londres  
      Directrices de thèse:
                Pr. Elisabeth BADENS, AMU - Marseille
                Dr. Yasmine MASMOUDI, AMU - Marseille
      Examinateurs:
                Pr. Abdeslam MENIAI, Université Constantine 3 - Constantine
                Pr. Michelle SERGENT, AMU - Marseille
      Membre invité:      
                D. Olivier FORZANO, Hôpital de la Timone - Marseille

      10 Décembre 2015 - "Numerical Modeling of Fluid-Structure Interaction in Bio-Inspired Propulsion" / Soutenance de thèse Thomas ENGELS
      Author: Thomas ENGELS

      Jointly supervised thesis (thèse en cotutelle)
      Supervisor (France): Prof. Kai Schneider, Aix-Marseille Université
      Supervisor (Germany): Prof. Jörn Sesterhenn, Technische Universität Berlin

      Date de soutenance: le jeudi 10 décembre 2015 à 15h00, Amphi 2 de l'Ecole Centrale.

      Abstract:
      Flying and swimming animals have developed efficient ways to produce the fluid flow that generates the desired forces for their locomotion. These bio-inspired problems couple fluid dynamics and solid mechanics with complex geometries and kinematics. The present thesis is placed in this interdisciplinary context and uses numerical simulations to study these fluid-structure interaction problems with applications in insect flight and swimming fish. Based on existing work on rigid moving obstacles, using an efficient Fourier discretization, a numerical method has been developed, which allows the simulation of flexible, deforming obstacles as well, and provides enhanced versatility and accuracy in the case of rigid obstacles. The method relies on the volume penalization method and the fluid discretization is still based on a Fourier discretization. The code, designed to run on massively parallel supercomputers, is entirely open source and freely available on the internet. We first apply this method to insects with rigid wings, where the body and other details, such as the legs and antennae, can be included. After presenting detailed validation tests, we proceed to studying a bumblebee model in fully developed turbulent flow. Our simulations show that turbulent perturbations affect flapping insects in a different way than human-designed fixed-wing aircrafts. While in the latter, upstream perturbations can cause transitions in the boundary layer, the former do not present systematical changes in aerodynamic forces. We conclude that insects rather face control problems in a turbulent environment than a deterioration in force production. In the next step, we design a solid model, based on a one-dimensional beam equation, and simulate coupled fluid-solid systems. Applications deal, in a two-dimensional setup, with insect flight, but also with simplified three-dimensional models for swimming fish. In these 'swimmers', consisting of a flexible plate with one rigid direction, we study the influence of the shape on the hydrodynamic efficiency. A contracting shape, as found in some amphibians, is found to swim faster and require less power than an expanding shape, which is more similar to most caudal fins observed in fish. We present evidence that this finding can be explained by a favorable interaction with the tip-vortices in the case of the contracting shape.

      Thesis comite:
      Rapporteur: Prof. Angelo Iollo, Université de Bordeaux, France
      Rapporteur: Prof. Hao Liu, Chiba University, Japan
      Examinateur: Prof. Marie Farge, ENS Paris, France
      Examinateur: Prof. Fritz-Olaf Lehmann, Universität Rostock, Germany
      Invité: Dr. Dmitry Kolomenskiy, JSPS Fellow, Chiba University, Japan
      Directeur de thèse: Prof. Kai Schneider, Aix-Marseille Université, France
      Directeur de thèse: Prof. Jörn Sesterhenn, Technische Universität Berlin, Germany

      11 Décembre 2015 - "Étude des vitesses de dérive fluides dans le plasma de bord des tokamaks : Modélisation numérique et comparaison simulation/expérience" / Soutenance de thèse Robin LEYBROS
      Doctorant: Robin LEYBROS

      Directeur de thèse : Patrick Bontoux
      Codirecteur de thèse : Guido Ciraolo
      Codirectrice de thèse : Pascale Hennequin

      Date de soutenance: le vendredi 11 décembre 2015 à 10h30, Amphi 3 de l'Ecole Centrale.

      Résumé:
      Le transport des particules et de la chaleur dans la zone de bord des tokamaks joue un rôle déterminant à la fois sur les performances du plasma confiné et sur l’extraction de la puissance et ainsi la durée de vie des composants face au plasma. C’est dans ce contexte que s’inscrit ce travail de thèse, qui porte sur le rôle joué par les écoulements transverses au champ magnétique dans l’équilibre entre dynamique parallèle et dynamique perpendiculaire qui régit la région périphérique d’un tokamak. Ces écoulements peuvent produire des asymétries poloidales du dépôt de chaleur et de particules sur les composants face au plasma, et plus généralement des asymétries des diverses quantités dans le plasma. Les vitesses de dérive radiale sont d’origine électrique (liées à la présence d'un champ électrique radial résultant de l’équilibre des charges) ou liées aux effets de la géométrie toroïdale induisant une inhomogénéité du champ magnétique (vitesse de gradient-courbure). Pour progresser dans la compréhension de ces phénomènes, la modélisation numérique du transport et de la turbulence en géométrie complexe est indispensable. En complément, des outils de diagnostic synthétique permettant de modéliser les processus de mesure dans les plasmas numériques sont développés pour permettre une comparaison réaliste entre modèles et expériences. La modélisation des vitesses de dérive perpendiculaire a été introduite dans le code SOLEDGE2D décrivant le transport de la densité, quantité de mouvement et énergie d’un plasma de tokamak. Nous avons d’abord étudié l'impact d'un champ électrique prescrit sur les équilibres plasma, pour comprendre les mécanismes à l'origine des asymétries du plasma et étudier l'établissement d'écoulement parallèle et d'asymétrie du dépôt de chaleur sur les composants face au plasma. Nous avons ensuite implémenté un modèle auto-consistant de résolution du potentiel électrique dans les équations fluides de SOLEDGE2D afin de comprendre l'équilibre du champ électrique et d'étudier l'effet de la configuration magnétique du tokamak et de la vitesse de gradient-courbure sur ce dernier. Dans la deuxième partie de cette thèse, un diagnostic synthétique permettant de modéliser les mesures expérimentales de rétro-diffusion Doppler a été développé et testé en vue d'être appliqué aux simulations du code fluide 3D turbulent, TOKAM3X. Ce diagnostic permet de mesurer la vitesse perpendiculaire du plasma à partir du mouvement des fluctuations de densité. Il a été utilisé ici pour comparer les asymétries de vitesse observées expérimentalement aux asymétries mesurées dans les simulations numériques.

      Jury:
      M. Giovanni MANFREDI, Institut de Physique et Chimie des Matériaux de Strasbourg (rapporteur)
      M. Ulrich STROTH, Institut Plasma Physik, Garching, Allemagne (rapporteur)
      M. Benoit LABIT,  Ecole Polytechnique de Lausanne, Suisse (examinateur)
      M. Paolo INNOCENTE, Consorzio RFX, Padoue, Italie (examinateur)
      M. Guido CIRAOLO, IRFM et M2P2/École Centrale Marseille, France (codirecteur de thèse)
      Mme Pascale HENNEQUIN, Laboratoire de Physique des Plasmas, Palaiseau, France. (codirectrice de thèse)
      M. Philippe GHENDRIH, IRFM Cadarache, France (examinateur)
      M. Patrick BONTOUX , M2P2, Marseille, France (directeur de thèse)

      11 Décembre 2015 - "Traitement d’effluents nucléaires aqueux : étude de la dégradation des membranes d’osmose inverse sous irradiation gamma" / Soutenance de thèse Nicolas Combernoux
      Doctorant: Nicolas COMBERNOUX

      Date de soutenance: le 11 décembre 2015 à 9h30 à l’Amphithéatre du CEREGE sur le site de l’Europôle de l’Arbois à Aix en Provence.

      Le jury sera composé de :
      Emmanuel Balanzat       Directeur de recherche, CIMAP 
      Emilie Carretier       Maître de conférences, Aix Marseille Université
      Benny Freeman       Professeur, Université Austin, Texas, USA
      Véronique Labed       Ingénieur chercheur, CEA
      Philippe Moulin       Professeur, Aix Marseille Université
      Stéphane Pellet-Rostaing       Directeur de recherche, ICSM
      Hélène Schneider       Ingénieur chercheur, EDF
      Luc Schrive       Ingénieur chercheur, CEA
      Alexandre Ragouilliaux       Ingénieur chercheur, AREVA
      Yvan Wyart       Maître de conférences, Aix Marseille Université

      10 Novembre 2015 - "Turbulent transport modeling in the edge plasma of tokamaks : V&V, Simulation and Synthetic Diagnostics"/ Soutenance de thèse: Clothilde Colin-Bellot
      Doctorant: Clothilde COLIN-BELLOT

      Directeurs de thèse: Eric SERRE
      Co-directeur de thèse: Frédéric SCHWANDER

      Date de soutenance: le 10 novembre 2015 à 10h, Amphi A, zone de l'Equerre de l'école Centrale.

      Abstract: The possibility to produce power by using magnetically confined fusion is a scientific and technological challenge. The perspective of ITER conveys strong signals to intensify modeling effort on magnetized fusion plasmas. The success of the fusion operation is conditioned by the quality of plasma confinement in the core of the reactor and by the control of plasma exhaust on the wall. Both phenomena are related to turbulent cross-field transport that is at the heart of the notion of magnetic confinement studies, particle and heat losses. The study of edge phenomena is therefore complicated by a particularly complex magnetic geometry.
      This calls for an improvement of our capacity to develop numerical tools able to reproduce turbulent transport properties reliable to predict particle and energy fluxes on the plasma facing components. This thesis introduces the TOKAM3X fluid model to simulate edge plasma turbulence. A special focus is made on the Verification and the Validation of fluid code. It is a necessary step before using a code as a predictive tool.
      Then new insights on physical properties of the edge plasma turbulence are explored. In particular, the poloidal asymmetries induced by turbulence and observed experimentally in the Low-Field-Side of the devices are investigated in details. Great care is dedicated to the reproduction of the MISTRAL base case which consists in changing the magnetic configuration and observing the impact on parallel flows in the poloidal plane. The simulations recover experimental measurements and provide new insights on the effect of the plasma-wall contact position location on the turbulent features, which were not accessible in experiments.
      At the present time, a link between simulations and experiments is still missing. This issue is due to the geometrical complexity of the edge plasma and to the complexity of experimental measurements themselves which are often indirect (using models) and sometimes perturbative. One way to improve this point is to implement synthetic diagnostics in numerical simulations. In this work, we focus on the main diagnostic used in edge plasma measurements which is the Langmuir probe (LP). Various synthetic probes have be implemented in the 2D fluid turbulence code TOKAM-2D in order to clarify the physical variables actually measured by LPs and the perturbations induced by the presence of the probe on turbulence.

      Jury:
      - Jury president :   Etienne Gravier, Prof IJL (Nancy)
      -  Reviewers :        Bruce Lipschultz, Prof York University (York)
                                    Alberto Loarte, Dr ITER Organization(St Paul lèz durance)
       -  Advisor :           Eric Serre, DR CNRS CNRS-M2P2 (Marseille)
                                    Frédéric Schwander, MdC Ecole Centrale Marseille-M2P2
       - Advisor CEA :    Patrick Tamain Dr CEA-IRFM (St Paul lèz durance)

      19 Octobre 2015 - "Une méthode multidomaine parallèle pour les écoulements incompressibles en géometries cylindriques : application aux écoulements turbulents soumis à la rotation" / Soutenance de thèse: Romain OGUIC
      Doctorant: Romain OGUIC

      Directeurs de thèse: Stéphane VIAZZO
      Co-directeur de thèse: Sébastien PONCET

      Date de soutenance: le Lundi 19 octobre 2015 à 14h00 au M2P2

      Résumé: Ce travail concerne l’étude d’écoulements incompressibles soumis à la rotation avec un solveur haute précision dans des géométries semi-complexes. La technique numérique mise en oeuvre tout au long de cette thèse combine des schémas compacts, une méthode de projection multidomaine directe et un traitement efficace de la singularité à l’axe basée sur des conditions de parité dans l’espace de Fourier. Cette singularité mathématique est due à l’utilisation des coordonnées cylindriques. Afin de limiter les temps de calcul, le solveur a été parallélisé avec une approche hybride MPI-OpenMP. Dans un premier temps, les précisions spatiale et temporelle de la méthode numérique ainsi que la scalabilité du solveur ont été vérifiées. Puis, la capacité du solveur à traiter des écoulements plus complexes a été évaluée. Des écoulements de type éclatement tourbillonnaire et un écoulement turbulent en conduite cylindrique ont été considérés. Dans un second temps, plusieurs écoulements typiques des machines tournantes et des turbomachines ont été étudiés. Le premier écoulement est un écoulement turbulent incompressible et isotherme dans un étage simplifié d’un compresseur haute pression d’une turbine à gaz. Les simulations menées ont permis de mettre en évidence l’effet de la rotation sur l’écoulement, notamment sur les instabilités se développant le long des parois et sur les différentes structures cohérentes. Le second cas traité est un écoulement turbulent de jet impactant un disque en rotation avec un fort confinement et transfert thermique. Une attention particulière a été portée sur les champs hydrodynamiques et thermique le long du rotor. Enfin, une étude préliminaire d’un jet turbulent impactant un disque fixe d’épaisseur non nulle dans une configuration moins contrainte et avec prise en compte du couplage conduction / convection a été réalisée.

      Mots clés : Singularité à l’axe, Méthode de projection multidomaine, Parallélisation hybride, Ecoulement soumis à la rotation, Turbulence, Transfert thermique.

      Jury:
      Prof. Souad HARMAND Université de Valenciennes, TEMPO (Rapporteur)
      Prof. Eric LAMBALLAIS Université de Poitiers, PPRIME (Rapporteur)
      Dr. Stéphane ABIDE Université de Perpignan, LAMPS (Examinateur)
      Dr. Sofiane BENHAMADOUCHE EDF, Chatou (Examinateur)
      Prof. Richard PASQUETTI Université de Nice, LJAD (Examinateur)
      Prof. Pierre SAGAUT Aix-Marseille Université, M2P2 (Examinateur)
      Dr. Stéphane VIAZZO Aix-Marseille Université, M2P2 (Directeur de thèse)
      Dr. Sébastien PONCET Université de Sherbrooke, Canada (Co-directeur de thèse)
      28 Mai 2015 - "Formes d'une vésicule en géométrie confinée" / Soutenance de thèse: Roberto TROZZO
      Doctorant: Roberto TROZZO

      Directeurs de thèse: Marc  JAEGER

      Date de soutenance: le jeudi 28 mai à 14 heures, dans l'amphi 3A de l'Ecole Centrale

      Résumé: Les vésicules sont des gouttes de rayon de quelques dizaines de micromètres, limitées par une membrane lipidique imperméable d'environ 4 nm d'épaisseur, et immergées dans un fluide visqueux externe. Les propriétés spécifiques de la membrane de la vésicule rendent le système très déformable et très contraint dans le même temps. Les vésicules représentent également un modèle simplifié intéressant pour les globules rouges, car ils partagent aussi certains comportements mécaniques similaires. Mon étude s’intéresse à la modélisation d'une vésicule soumise à des contraintes externes d'origine hydrodynamique, dans le régime Stokes et dans des domaines confinés. À partir d'un modèle BEM déjà existant pour des fluides infinis, des méthodes numériques originales sont développés pour faire face au calcul des interactions entre la membrane de la vésicule et les frontières solides. Une attention particulière est accordée à la situation d'une vésicule qui sédimente vers un mur horizontal et une vésicule soumise à un écoulement de Poiseuille dans un capillaire étroit.


      Abstract: Vesicles are drops of radius of a few tens micrometers, bounded by an impermeable lipid membrane of approximately 4 nm thickness, and embedded in an external viscous fluid. The specific properties of the vesicle membrane make the system very deformable and very constrained at the same time. Vesicles represent also an interesting simplified model for red blood cells, since they also share some similar mechanical behaviours. My study deals with the modeling of a vesicle subjected to external stresses of hydrodynamical origin, in the Stokes regime and in confined domains. Starting from an existing BEM model for free space flows, original numerical methods are developed to deal with the computation of interactions between the vesicle membrane and solid boundaries. A particular attention is paid to the situation of a vesicle sedimenting towards a planar wall and a vesicle submitted to a Poiseuille flow in a narrow capillary.

      Jury:
      M.   Patrick  BONTOUX - M2P2 - AMU
      M.  Marc  JAEGER - M2P2 - Centrale Marseille (Directeur de thèse)
      M.  Marcel   LACROIX - Université de Sherbrooke (Rapporteur)
      M.  Simon  MENDEZ - I3M - Université de Montpellier
      M.  Thomas   PODGORSKI - Liphy - Université Joseph Fourier (Rapporteur)
      M.  Pierre   SAGAUT - M2P2 - AMU

      05 Mai 2015 - "Développement d’outils pour l’implémentation d’un procédé de fractionnement supercritique à l’échelle industrielle" / Soutenance de thèse: Carlos Ariel PIECK

      Doctorant: Carlos Ariel PIECK

      Directeurs de thèse: Elisabeth Badens et Christelle Crampon

      Date de soutenance: le Mardi 5 Mai 2015 à 10 h, amphithéâtre du CEREGE, sur l’Europôle de l’Arbois
      Résumé: Le fractionnement supercritique est un procédé prometteur avec un potentiel certain d’application encore peu exploité à grande échelle. Les travaux expérimentaux et la discussion théorique qui font l’objet de cette thèse ont pour objectif d’apporter des outils fiables permettant d’effectuer la mise en œuvre d’un procédé de fractionnement supercritique à l’échelle industrielle, en abordant le changement d’échelle et la modélisation du procédé. Cette étude comporte plusieurs volets. La première partie du travail de thèse porte sur le fractionnement de mélanges éthanol-eau en utilisant du dioxyde de carbone supercritique à 333 K et 10 MPa, sur des unités de fractionnement à échelle du laboratoire, pilote et industrielle, avec des diamètres de colonne respectivement de 19, 58 et 126 mm. Les compositions d’extrait et de raffinat obtenues à différentes échelles, ainsi que les prédictions d’un modèle d’étages d’équilibres, montrent une bonne concordance. Le phénomène d’engorgement est discuté suite à son observation sous certaines conditions de travail. Une corrélation permettant d’estimer la capacité d’engorgement d’une colonne garnie à contre-courant sous pression est proposée, après avoir exprimé l’ensemble des données répertoriées dans la littérature sous forme adimensionnelle. Les possibles sources de déviations observées sont également discutées afin de proposer des perspectives à ce travail. Enfin, le traitement de mélanges complexes est abordé par la mise en œuvre et la modélisation du fractionnement supercritique d’éthyl esters issus d’huiles de poisson, sous des conditions de 14.5 MPa et 333 K, en variant le rapport solvant sur charge entre 21,8 et 143. Un modèle simplifié dérivé de la méthode des groupes est développé afin de représenter la relation entre le taux d’extraction et la composition de l’extrait et du raffinat.

      Mots-clés : fractionnement supercritique, modélisation, changement d’échelle, capacité d’engorgement.


      Jury:

      Maria-José COCERO, Université de Valladolid, Espagne (Rapporteur)

      Jean-Stéphane CONDORET, ENSIACET, Toulouse, France (Rapporteur)

      Elisabeth BADENS, Aix Marseille Université, France (Examinateur)

      Frédéric CHARTON, CEA Marcoule, France (Examinateur)

      Christelle CRAMPON, Aix Marseille Université, France (Examinateur)

      Agnès GRANDJEAN, CEA Marcoule, France (Examinateur)

      Vincent PERRUT, Atelier Fluides Supercritiques, Nyons, France (Examinateur)

      15 Décembre 2014 - "Numerical simulation of incompressible flows interaction with forced deformable bodies: Application to fish swimming" / Soutenance de thèse: S. A. Ghaffari
      Doctorant: Seyed Amin Ghaffari

      Directeurs de thèse: Kai Schneider et Stéphane Viazzo

      Date de soutenance: le 15 Décembre 2014
      Résumé: Une m éthode numérique précise et efficace est propos ée pour la simulation de corps déformables interagissant avec un écoulement incompressible. Les équations de Navier-Stokes, consid er ées dans leur formulation vorticit é fonction de courant, sont discr etis ées temporellement et spatialement à l'aide respectivement d'un schéma d'ordre quatre de Runge-Kutta et par des diff érences finies compactes. Grâce à l'utilisation d'un maillage uniforme, nous proposons un nouveau solveur direct au quatri ème ordre pour l' équation de Poisson, permettant de garantir l'incompressibilit é au zéro machine sur une grille optimale. L'introduction d'un corps d éformable et mobile dans l' écoulement de fluide est r éalis ée au moyen d'une méthode de p énalisation de volume. La d éformation du corps est impos ée par l'utilisation d'un maillage lagrangien structur é mobile qui interagit avec le fluide environnant en raison des forces hydrodynamiques et du moment (calcul és sur le maillage eul érien de r éf érence). Une loi de contrôle efficace de la courbure d'un poisson anguilliforme nageant vers une cible prescrite est proposée. Ensuite pour augmenter l'efficacité, une analyse multi- échelle est appliquée à l'algorithme, permettant de r éduire signifi cativement le nombre de points n écessaires. La grille se raffine automatiquement dans les régions avec un fort gradient. La strat égie d'adaptation est basée sur la transform ée en ondelettes et le seuillage des coefficients. Les r ésultats obtenus montrent que le temps de calcul peux être r éduit consid érablement avec la m éthode multi échelles en conservant la pr écision. Finalement une simulations de nage tri-dimensionnelle a ét é faite par la m éthode de pénalisation de volume appliqu ée au code Incompact3d qui est accessible pour tous. La méthode num érique d éveloppée prouve son efficacit é et précision tant dans le cas de la nage du poisson mais aussi plus g én éralement dans le cas d'un grand nombre de probl èmes d'interactions fluide-structure.

      Jury:
      Jean-Paul CALTAGIRONE Professeur, Universit é de Bordeaux ( Rapporteur)
      Michael SCHAFER Professeur, Universit é de Darmstadt, Allemagne (Rapporteur)
      Frédéric BOYER Professeur, Ecole des Mines de Nantes (Examinateur)
      Michel VISONNEAU Directeur de recherche CNRS, Ecole Centrale de Nantes (Examinateur)
      Patrick BONTOUX Directeur de recherche CNRS, M2P2, Marseille (Examinateur)
      Fabien CANDELIER Maitre de conférences, IUSTI, Aix-Marseille Université (Invité)
      Stéphane VIAZZO Maitre de conférences, HDR, M2P2, Aix-Marseille Université (Directeur de thèse)
      Kai SCHNEIDER Professeur, M2P2, Aix-Marseille Université (Co-directeur de thèse)

      10 Décembre 2014 - "On the Coupling of Membrane Transport to Hydrodynamics and Bulk Mass Transfer in Reverse Osmosis: Numerical Modeling and Experimental Studies" / Soutenance de thèse: Gustavo Henndel Lopes
      Doctorant: Gustavo Henndel LOPES

      Directrice de thèse: Pierrette GUICHARDON
      Co-Directeur de thèse: Nelson IBASETA

      Date de soutenance: le 10 Décembre 2014 à 10h00,  amphithéâtre 1 de l'École Centrale Marseille

      Résumé: The prediction of the performance of pressure-driven membrane separations, deeply affected by concentration polarization, would be an important advance for process design and optimization. In this context, the dimensionless coupled Navier-Stokes and solute conservation equations are solved numerically for a steady laminar cross-flow filtration. The two-dimensional flat channel consists of permeable walls subject to solution-diffusion boundary conditions. The permeate flux, the rejection rate and the retentate's flow rate, concentration and pressure drop are determined locally. The simulations highlight the influence of the membrane solute and solvent permeabilities on concentration polarization and the non-asymptotic dependence of the rejection rate on the applied pressure. The model is validated for reverse osmosis and tight-nanofiltration plate-and-frame and spiral-wound modules by comparison to experimental results from the literature and from our own pilot desalination tests. Furthermore, a bench-scale method enabling the determination of solute and solvent permeabilities from osmotic-diffusive experiments is developed and applied to reverse osmosis and nanofiltration membranes. The divergence between the transport mechanisms engendered by pressure and by an osmotic gradient is evidenced. The numerical model and the experimental method are new promising tools with immediate applicability in the membrane field.

      Jury:
      Sébastien DÉON, Maître de conférences, Université de Franche-Comté (Rapporteur)
      Pierrette GUICHARDON, Professeur des universités, École Centrale Marseille  (Directrice de thèse)
      Pierre HALDENWANG, Professeur des universités, Aix Marseille Université (Examinateur)
      Nelson IBASETA, Maître de conférences, École Centrale Marseille (Codirecteur de thèse)
      Alain LINÉ, Professeur des universités, Inst. Nat. de Sci. Appl. de Toulouse (Rapporteur)
      Ana María URTIAGA, Profesora catedrática, Universidad de Cantabria (Examinatrice)
      23 Octobre 2014 - Influence of Vortex Structure and Dynamics on Turbulence Statistics at Large Scales / Séminaire K. Yoshimatsu

      Orateur: Katsunori Yoshimatsu

      Associate Professor Université de Nagoya, Japon


      Résumé: We examine the importance or unimportance of the role of vortices in the determination of turbulence statistics, on the basis of the method of the so-called `Computational Surgery’. Two fields, true and false fields, are generated. The true field obeys the Navier-Stokes (NS) equations for an incompressible fluid. In the false field, the NS dynamics are artificially modified so that the intense tube-like vortices are lost. Comparing the two fields, we may get some idea on the role of the vortices. The comparison so far made suggests that the statistics at large-scales are not sensitive to the exact vortex structure and dynamics at smaller scales.


      Date et lieu:  Jeudi 23 Octobre à 11h, M2P2.

      16 Octobre 2014 - A one-dimensional model of the self-heating mechanisms observed in stockpiles of biosolids / Séminaire R. Aganetti
      Orateur: Rachael Aganetti
      Victoria University, College of Engineering and Science, Melbourne, Australia

      Résumé: Biosolids are the subsequent residuals of the waste water treatment process. They are predominantly organic materials that are susceptible to spontaneous combustion when they are stockpiled. Biological and oxidative exothermic reactions cause the rise in temperature and as a result buoyancy driven flows arise within the piles of solids. Interaction with the atmosphere modifies these convection currents. The Western Treatment Plant (WTP) in Melbourne, Australia treats around 52% of Melbourne’s waste water, producing on average around 20,000 tonnes of biosolids per year. With the continually accumulating supply of biosolids, the WTP regularly encounters the abovementioned problem of spontaneous combustion. A one-dimensional numerical model, describing the biological and oxidative reactions contributing to the heat and mass transfer within a stockpile of biosolids will be presented along with preliminary results.

      Date et lieu: le Jeudi 16 Octobre 2014 à 11h dans le petit amphithéâtre du laboratoire
      25 Septembre 2014 - Adaptive multiresolution methods applied to hydrodynamics and magnetohydrodynamics / Séminaire M.O. Domingues
      Orateur: Margarete Oliveira Domingues
      National Intitute for Space Research in Brazil

      Date et lieu: le 25 Septembre 2014 à 11 heures dans le petit amphithéâtre du laboratoire.
      15 Avril 2014 - Workshop: "Instabilities and Transport in Magnetized Plasmas, Geophysical and Astrophysical Flows"
      Le professeur Kai Schneider fait partie du Comité Scientifique du workshop "Instabilities and Transport in Magnetized Plasmas, Geophysical and Astrophysical Flows" organisé dans le cadre de la résidence d'Aziz Salhi (professeur de physique à l'Université de Tunis) à l'IMéRA, qui aura lieu le 15 avril 2014
      14 Octobre 2015 - "Eclatement tourbillonnaire dans le sillage turbulent d’un véhicule générique" / Soutenance de thèse: Cyril JERMANN
      Doctorant: Cyril JERMANN

      Directeurs de thèse: Eric SERRE
      Co-directeur de thèse: Philippe MELIGA

      thèse M2P2 - Aix-Marseille Université - CNRS - Centrale Marseille - PSA Peugeot-Citroën

      Date de soutenance: le Mercredi 14 octobre 2015 à 14h00 au M2P2 (amphi B au RDC de la Jetée)

      Résumé: cette thèse est une contribution à l’étude des tourbillons longitudinaux qui se développent sur la lunette arrière des véhicules automobiles, dans l’idée de provoquer leur éclatement afin de réduire la traînée aérodynamique. On conçoit tout d’abord un système d’acquisition dénommé A-SPIV, permettant de reconstruire le champ moyen de vitesse 3D d’un sillage turbulent à partir de plans stéréo-PIV acquis par translation du système caméras-laser, sans qu’il soit nécessaire de le recalibrer. Il en résulte un gain de temps et une souplesse d’utilisation considérables dans un contexte d’utilisation industriel. En complément, on propose une méthode de reconstruction de la pression moyenne reposant sur les  données A-SPIV et sur une série de mesures de pression pariétale. L’ensemble forme un nouveau protocole expérimental validé dans le sillage d’un corps d’Ahmed 25° et dont les résultats sont comparés à la littérature existante. L'analyse topologique des tourbillons longitudinaux suggère l’existence d’un éclatement tourbillonnaire spontané dans le sillage proche, ceci malgré l’absence de point de stagnation. On démontre formellement l’existence de cet éclatement par deux critères théoriques qui considèrent ce phénomène, soit comme la conséquence d’une réorganisation de la vorticité, soit comme la résultante d’une accumulation, en un point critique, d’ondes inertielles se propageant le long du tourbillon. Les analyses sous-jacentes (analyse du signe de la vorticité azimutale d’une part, et analyse de stabilité locale des profils de vitesses moyens turbulents d’autre part) sont menées dans un repère cylindrique attaché à l’axe tourbillonnaire et prédisent une même position d’éclatement, en bon accord avec la position singulière issue des mesures A-SPIV. La thèse se conclut par une analyse de stabilité globale de l'écoulement moyen qui suggère un lien possible entre l’éclatement et une instabilité globale de l’écoulement tourbillonnaire.

      Jury:
          Jacques BOREE, professeur à l'ENSMA Poitiers (rapporteur)
          Maurice ROSSI, directeur de recherches à l'Institut Jean Le Rond d'Alembert (rapporteur)
          Jean-Marc CHOMAZ, directeur de recherches au LadHyX (examinateur)
          François GALLAIRE, assistant-professeur à l'Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (examinateur)
          Benjamin LECLAIRE, ingénieur de recherches à l'ONERA (examinateur)
          Grégory PUJALS, ingénieur à PSA Peugeot-Citroën (examinateur)
          Philippe MELIGA, chargé de recherches au M2P2 (co-directeur de thèse)
          Eric SERRE, directeur de recherches au M2P2 (directeur de thèse)
      Pour toute information complémentaire, n'hésitez pas à nous contacter