Research

2 thematic axes, 6 research teams, 2 sites

The originality of M2P2 lies in its research themes in the fields of Computational Fluid Mechanics and Process Engineering. Research in mechanics and modeling is combined with strong methodological development around calculation codes for the simulation of natural and industrial flows. In the field of process engineering, research focuses on the development of innovative processes, as well as on the study of the issues at stake in these processes, as part of a strong contractual activity.
3 cross-disciplinary axes complete this matrix structure, exploring new avenues of research on innovative and topical projects, taking advantage of cross-team skills.
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2 main research areas, 6 teams

Publications

  • Elena Alekseenko, A.A. Sukhinov, B. Roux. Modeling of multi-fractional suspended particle pathways in a shallow water basin under influence of strong winds. Regional Studies in Marine Science, 2024, 73, pp.103477. ⟨10.1016/j.rsma.2024.103477⟩. ⟨hal-04515082⟩ Plus de détails...
  • Seyed Ali Hosseini, Pierre Boivin, Dominique Thévenin, Ilya Karlin. Lattice Boltzmann methods for combustion applications. Progress in Energy and Combustion Science, 2024, 102, pp.101140. ⟨10.1016/j.pecs.2023.101140⟩. ⟨hal-04412786⟩ Plus de détails...
  • Uwe Ehrenstein. Generalization to differential–algebraic equations of Lyapunov–Schmidt type reduction at Hopf bifurcations. Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation, 2024, 131, pp.107833. ⟨10.1016/j.cnsns.2024.107833⟩. ⟨hal-04408097⟩ Plus de détails...
  • Heni Dallagi, Nassim Ait-Mouheb, Audrey Soric, Olivier Boiron. Simulation of the flow characteristics of a labyrinth milli-channel used in drip irrigation. Biosystems Engineering, 2024, 239, pp.114-129. ⟨10.1016/j.biosystemseng.2024.02.004⟩. ⟨hal-04479285⟩ Plus de détails...
  • Mostafa Taha, Song Zhao, Aymeric Lamorlette, Jean-Louis Consalvi, Pierre Boivin. Large eddy simulation of fire-induced flows using Lattice-Boltzmann methods. International Journal of Thermal Sciences, 2024, 197, pp.108801. ⟨10.1016/j.ijthermalsci.2023.108801⟩. ⟨hal-04338538⟩ Plus de détails...
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Soutenances de thèses et HDR

26 juin 2024 - Hydrodynamics and permeable boundaries: instabilities, filtration, numerical methods - HDR defense Denis Martinand
Held on: Wednesday June 26 at 10:00 am ; amphi 3 Centrale Méditerranée

Abstract: In many cases of fluid mechanics, boundary conditions have such an impact that it could be argued they are more important than the dynamic equations themselves to understand and predict fluid flows. For fifteen years at M2P2, following this line of thought, I have studied analytically and numerically the couplings between hydrodynamics and transfers across permeable and semi-permeable boundaries.

On the one hand, this research is motivated by improving membrane separation (filtration) processes, the efficiency of which abates as the retained materials accumulate. Dynamic filtration techniques make use of hydrodynamic instabilities and turbulent flows to remix these materials and their effectiveness relies upon accurate understanding and models of the couplings between the phenomena associated with the trans-membrane flows and hydrodynamics. On the other hand, these couplings are also fundamentally and theoretically intriguing by their peculiar mechanisms of instability and mixing, and the specific numerical methods they require.

I have addressed these couplings in a Taylor-Couette setup, where the centrifugal instabilities are accurately modelled and controlled. This Taylor-Couette cell specifically presents one or two cylinders permeable to the solvent and impermeable to solutes, modelled by specific boundary conditions. The presentation will focus on two aspects of these couplings. The first one deals with centrifugal instabilities, the dynamics of which evolves as the fluid flows downstream and is also extracted through the permeable cylinder. These instabilities can be described and predicted in the framework of non-linear global modes, but Direct Numerical Simulations also reveal more complex dynamics. The second one considers the coupling by osmotic pressure between concentration boundary layers and centrifugal instabilities. Both stability analyses and Direct Numerical Simulations show that this coupling promotes the instabilities and increase the flux across the membrane.

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