The originality of M2P2 lies in its research themes in the fields of Computational Fluid Mechanics and Chemical Engineering. Research in mechanics and modeling is associated with a strong methodological development around calculation codes for the simulation of natural and industrial flows. In the field of process engineering, the research concerns the development of innovative processes as well as the study of the problems involved in these processes within the framework of a strong contractual activity.
Tetyana Kyrpel, Vita Saska, Anne de Poulpiquet, Mathieu Luglia, Audrey Soric, et al.. Hydrogenase-based electrode for hydrogen sensing in a fermentation bioreactor. Biosensors and Bioelectronics, 2023, 225, pp.115106. ⟨10.1016/j.bios.2023.115106⟩. ⟨hal-03963086⟩ Plus de détails...
The hydrogen-based economy will require not only sustainable hydrogen production but also sensitive and cheap hydrogen sensors. Commercially available H2 sensors are limited by either use of noble metals or elevated temperatures. In nature, hydrogenase enzymes present high affinity and selectivity for hydrogen, while being able to operate in mild conditions. This study aims at evaluating the performance of an electrochemical sensor based on carbon nanomaterials with immobilised hydrogenase from the hyperthermophilic bacterium Aquifex aeolicus for H2 detection. The effect of various parameters, including the surface chemistry, dispersion degree and amount of deposited carbon nanotubes, enzyme concentration, temperature and pH on the H2 oxidation are investigated. Although the highest catalytic response is obtained at a temperature around 60 °C, a noticeable current can be obtained at room temperature with a low amount of protein less than 1 µM. An original pulse-strategy to ensure H2 diffusion to the bioelectrode allows to reach H2 sensitivity of 4 µA cm-2 per % H2 and a linear range between 1-20 %. Sustainable hydrogen was then produced through dark fermentation performed by a synthetic bacterial consortium in an up-flow anaerobic packed-bed bioreactor. Thanks to the outstanding properties of the A. aeolicus hydrogenase, the biosensor was demonstrated to be quite insensitive to CO2 and H2S produced as the main co-products of the bioreactor. Finally, the bioelectrode was used for the in situ measurement of H2 produced in the bioreactor in steady-state.
Tetyana Kyrpel, Vita Saska, Anne de Poulpiquet, Mathieu Luglia, Audrey Soric, et al.. Hydrogenase-based electrode for hydrogen sensing in a fermentation bioreactor. Biosensors and Bioelectronics, 2023, 225, pp.115106. ⟨10.1016/j.bios.2023.115106⟩. ⟨hal-03963086⟩
Thomas Cartier-Michaud, Philippe Ghendrih, Virginie Grandgirard, Eric Serre. Verification and accuracy check of simulations with PoPe and iPoPe. Journal of Computational Physics, 2023, 474, pp.111759. ⟨10.1016/j.jcp.2022.111759⟩. ⟨hal-03871954⟩ Plus de détails...
The theoretical background of the PoPe and iPoPe verification scheme is presented. Verification is performed using the simulation output of production runs. The computing overhead is estimated to be at most 10%. PoPe or iPoPe calculations can be done offline provided the necessary data is stored, for example additional time slices, or online where iPoPe is more effective. The computing overhead is mostly that of storing the necessary data. The numerical error is determined and split into a part proportional to the operators, which are combined to form the equations to be solved, thus modifying their control parameters, completed by a residual error orthogonal to these operators. The accuracy of the numerical solution is determined by this modification of the control parameters. The PoPe and iPoPe methods are illustrated in this paper with simulations of a simple mechanical system with chaotic trajectories evolving into a strange attractor with sensitivity to initial conditions. We show that the accuracy depends on the particular simulation both because the properties of the numerical solution depend on the values of the control parameter, and because the target accuracy will depend on the problem that is addressed. One shows that for a case close to bifurcations between different states, the accuracy is determined by the level of detail of the bifurcation phenomena one aims at describing. A unique verification index, the PoPe index, is proposed to characterise the accuracy, and consequently the verification, of each production run. The PoPe output allows one to step beyond verification and analyse for example the numerical scheme efficiency. For the chosen example at fixed PoPe index, therefore at fixed numerical error, one finds that the higher order integration scheme, comparing order 4 to order 2 Runge-Kutta time stepping, reduces the computation cost by a factor 4.
Thomas Cartier-Michaud, Philippe Ghendrih, Virginie Grandgirard, Eric Serre. Verification and accuracy check of simulations with PoPe and iPoPe. Journal of Computational Physics, 2023, 474, pp.111759. ⟨10.1016/j.jcp.2022.111759⟩. ⟨hal-03871954⟩
Revaz Chachanidze, Kaili Xie, Jinming Lyu, Marc Jaeger, Marc Leonetti. Breakups of Chitosan microcapsules in extensional flow. Journal of Colloid and Interface Science, 2023, 629, pp.445-454. ⟨10.1016/j.jcis.2022.08.169⟩. ⟨hal-03787637⟩ Plus de détails...
The controlled rupture of a core-shell capsule and the timely release of encapsulated materials are essential steps of the efficient design of such carriers. The mechanical and physico-chemical properties of their shells (or membranes) mainly govern the evolution of such systems under stress and notably the link between the dynamics of rupture and the mechanical properties. This issue is addressed considering weakly cohesive shells made by the interfacial complexation of Chitosan and PFacid in a planar extensional flow. Three regimes are observed, thanks to the two observational planes. Whatever the time of reaction in membrane assembly, there is no rupture in deformation as long as the hydrodynamic stress is below a critical value. At low times of complexation (weak shear elastic modulus), the rupture is reminiscent of the breakup of droplets: a dumbell or a waist. Fluorescent labelling of the membrane shows that this process is governed by continuous thinning of the membrane up to the destabilization. It is likely that the membrane shows a transition from a solid to liquid state. At longer times of complexation, the rupture has a feature of solid-like breakup (breakage) with a discontinuity of the membrane. The maximal internal constraint determined numerically marks the initial location of breakup as shown. The pattern becomes more complex as the elongation rate increases with several points of rupture. A phase diagram in the space parameters of the shear elastic modulus and the hydrodynamic stress is established.
Revaz Chachanidze, Kaili Xie, Jinming Lyu, Marc Jaeger, Marc Leonetti. Breakups of Chitosan microcapsules in extensional flow. Journal of Colloid and Interface Science, 2023, 629, pp.445-454. ⟨10.1016/j.jcis.2022.08.169⟩. ⟨hal-03787637⟩
Cristian Barca, Matteo Magari, Hélène Miche, Pierre Hennebert. Effect of different wastewater composition on kinetics, capacities, and mechanisms of phosphorus sorption by carbonated bauxite residue. Journal of Environmental Chemical Engineering, 2022, 10 (6), pp.108922. ⟨10.1016/j.jece.2022.108922⟩. ⟨hal-03884024⟩ Plus de détails...
This study aims at evaluating the effect of different wastewater composition on kinetics, capacities, and mechanisms of P sorption by carbonated bauxite residues (CBR). A series of batch experiments was performed to investigate P sorption behaviors from solutions prepared with different aqueous matrices (deionized water, tap water, and real wastewater) and different initial P concentrations (from 10 to 200 mg P/L). Also, a series of sequential P extractions was performed to investigate P fractionation of CBR before and after its use in P sorption experiments, and hence to elucidate the main P removal mechanisms. The results indicate that initial P concentration is the most influential parameter controlling kinetics, capacities, and mechanisms of P removal in batch experiments. Kinetic constant of P sorption increases exponentially with decreasing initial P concentration below 100 mg P/L, thus indicating a faster achievement of P sorption equilibrium. Equilibrium P sorption capacities increase linearly from about 0.2 to about 3.9 mg P/g CBR with increasing initial P concentration from 10 to 200 mg P/L, thus indicating that P saturation of CBR was not reached. Ca phosphate precipitation is the main P removal mechanism at higher initial P concentrations (> 10 mg P/L), whereas phosphate adsorption on CBR surface becomes more relevant over the total amount of P removed at lower initial P concentrations. Overall, the findings of this study allow to evaluate kinetic constants, sorption capacities, and removal mechanisms under different operating scenarios, thus providing crucial information for the design and operation of P treatment units.
Cristian Barca, Matteo Magari, Hélène Miche, Pierre Hennebert. Effect of different wastewater composition on kinetics, capacities, and mechanisms of phosphorus sorption by carbonated bauxite residue. Journal of Environmental Chemical Engineering, 2022, 10 (6), pp.108922. ⟨10.1016/j.jece.2022.108922⟩. ⟨hal-03884024⟩
Journal: Journal of Environmental Chemical Engineering
Grégory Cano, Philippe Moulin. Treatment of Boiler Condensate by Ultrafiltration for Reuse. Membranes, 2022, 12 (12), pp.1285. ⟨10.3390/membranes12121285⟩. ⟨hal-03967074⟩ Plus de détails...
The generation of water vapor is crucial for the petrochemical industry. In order to protect the boiler from damage, the re-injected water must not contain any suspended matter, especially hydrocarbons. Moreover, it is condensed steam with a temperature close to 100 °C and the unintentional creation or chronic generation of pollution, respectively, that can more or less produce the concentrated pollution. In this context, membrane processes appear promising in order to achieve this reuse and more especially crossflow ceramic membranes. The novelty of this paper is to study the retention of hydrocarbons and suspended solids contained in the condensate hot water of a high-capacity boiler using ceramic ultrafiltration membranes. In total, two ultrafiltration molecular weight cut-offs were used: 50–150 kDa. Several operating parameters were studied such as effluent type (accidental or chronic pollution), temperature, transmembrane pressure, initial volume, and pilot plant size. In all cases, retention of suspended matter was above 90% and residual hydrocarbon concentrations were under 0.1 ppm even for high-volume concentrations. Control of the transmembrane pressure and the molecular weight cut-off of the membrane are key to optimizing the process. Despite the high-volume concentration obtained, the membranes were perfectly regenerated with conventional cleaning procedures.
Grégory Cano, Philippe Moulin. Treatment of Boiler Condensate by Ultrafiltration for Reuse. Membranes, 2022, 12 (12), pp.1285. ⟨10.3390/membranes12121285⟩. ⟨hal-03967074⟩
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 dun 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
