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Thermodynamique, Ondes, Numérique, Interfaces, Combustion

Effets thermiques dans les systèmes en rotation

Ondes et interfaces immergées

Modélisation des écoulements multiphasiques réactifs

Modélisation et simulation de la propagation des feux de forêts

Thermodynamique des mélanges

Thermodynamics, Numerical Waves, Interfaces, Combustion Team
Présentation

The TONIC team is developing an activity of modeling of strongly multi-scale phenomena. It covers in particular multiphase and/or reactive flows, from the scale of the isolated injector (a few mm) to the scale of a fully developed forest fire (several hectares). 
Adapted numerical methods are developed in parallel, in particular for soil imaging (detection of slicks by acoustic analysis), or for the modeling of radiative transfers.

In parallel to these multi-scale developments, analytical work is carried out to support the construction of models. An important research effort is devoted to the modeling of the thermodynamics of multiphase mixtures (thermochemical equilibrium calculations, complex thermodynamic closures), or to the development of reduced kinetic models for combustion.

+ Modeling of reactive multiphase flows
+ Waves and immersed interfaces
+ Modeling and simulation of forest fire propagation
+ Mixture thermodynamics
+ Thermal effects in rotating systems

Responsable

  • Pierre BOIVIN
    Chargé de Recherche CNRS - HDR
    équipe Thermodynamique Ondes Numérique Interfaces Combustion
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Annuaire personnel permanent

  • Pierre BOIVIN
    Chargé de Recherche CNRS - HDR
    équipe Thermodynamique Ondes Numérique Interfaces Combustion
  • Guillaume CHIAVASSA
    Professeur Centrale Méditerranée
    équipe Thermodynamiques, Ondes, Numérique, Interfaces et Combustion
  • Dominique MORVAN
    Professeur des Universités AMU - émérite
    équipe Thermodynamiques, Ondes, Numérique, Interfaces et Combustion
  • Evelyne NEAU
    Professeur des Universités AMU - émérite
    équipe Thermodynamique Ondes Numérique Interfaces Combustion
  • Isabelle RASPO
    Chargée de Recherche CNRS
    équipe Thermodynamiques, Ondes, Numérique, Interfaces et Combustion
  • Stéphane VIAZZO
    Maître de Conférences AMU - HDR
    équipe Thermodynamiques, Ondes, Numérique, Interfaces et Combustion
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Doctorants, Post-Doctorants et CDD

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Dernières publications de l'équipe

  • 2025
    Hippolyte Lerogeron, Pierre Boivin, Vincent Faucher, Julien Favier. A Numerical Framework for Fast Transient Compressible Flows Using Lattice Boltzmann and Immersed Boundary Methods. International Journal for Numerical Methods in Engineering, 2025, 126 (3), ⟨10.1002/nme.7647⟩. ⟨hal-04958000⟩ Plus de détails...

    A Numerical Framework for Fast Transient Compressible Flows Using Lattice Boltzmann and Immersed Boundary Methods

    This article is dedicated to the development of a model to simulate fast transient compressible flows on solid structures using immersed boundary method (IBM) and a lattice Boltzmann solver. Ultimately, the proposed model aims at providing an efficient algorithm to simulate strongly‐coupled fluid‐structure interactions (FSI). Within this goal, it is necessary to propose a precise and robust numerical framework and validate it on stationary solid cases first, which is the scope of the present study. Classical FSI methods, such as body‐fitted approaches, are facing challenges with moving or complex geometries in realistic conditions, requiring computationally expensive re‐meshing operations. IBM offers an alternative by treating the solid structure geometry independently from the fluid mesh. This study focuses on the extension of the IBM to compressible flows, and a particular attention is given to the enforcement of various thermal boundary conditions. A hybrid approach, combining diffuse forcing for Dirichlet‐type boundary conditions and ghost‐nodes forcing for Neumann‐type boundary conditions is introduced. Finally, a simplified model, relying only on diffuse IBM forcing, is investigated to treat specific cases where the fluid solid interface is considered as adiabatic. The accuracy of the method is validated through various test cases of increasing complexity.
    Hippolyte Lerogeron, Pierre Boivin, Vincent Faucher, Julien Favier. A Numerical Framework for Fast Transient Compressible Flows Using Lattice Boltzmann and Immersed Boundary Methods. International Journal for Numerical Methods in Engineering, 2025, 126 (3), ⟨10.1002/nme.7647⟩. ⟨hal-04958000⟩
    Journal: International Journal for Numerical Methods in Engineering
    Date de publication: 07-02-2025
    Auteurs:
    Liste des documents:
    Digital object identifier (doi): http://dx.doi.org/10.1002/nme.7647
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  • 2025
    J. Carmona, I. Raspo, V. Moureau, P. Boivin. A simple explicit thermodynamic closure for multi-fluid simulations including complex vapor–liquid equilibria: Application to NH3-H2O mixtures. International Journal of Multiphase Flow, 2025, 182, pp.105044. ⟨10.1016/j.ijmultiphaseflow.2024.105044⟩. ⟨hal-05007303⟩ Plus de détails...

    A simple explicit thermodynamic closure for multi-fluid simulations including complex vapor–liquid equilibria: Application to NH3-H2O mixtures

    This paper presents a new thermodynamic closure formulation appropriate for the simulation of subcritical multiphase flows, where two liquid/vapor components need to be considered, in addition of an arbitrary number of perfect gas non-condensable components. Assuming each component to follow the Noble-Abel Stiffened Gas (NASG) equation of state allows to derive a fully explicit formulation for the mixture pressure. A matching phase transition solver is then proposed to compute efficiently and accurately the thermochemical equilibrium of the said mixture. The model capabilities are then illustrated through a two-dimensional simulation of a liquid ammonia tank leak into 80%-saturated humid air, where water is found to significantly condensate when interacting with the ammonia jet.
    J. Carmona, I. Raspo, V. Moureau, P. Boivin. A simple explicit thermodynamic closure for multi-fluid simulations including complex vapor–liquid equilibria: Application to NH3-H2O mixtures. International Journal of Multiphase Flow, 2025, 182, pp.105044. ⟨10.1016/j.ijmultiphaseflow.2024.105044⟩. ⟨hal-05007303⟩
    Journal: International Journal of Multiphase Flow
    Date de publication: 01-01-2025
    Auteurs:
    Liste des documents:
    Digital object identifier (doi): http://dx.doi.org/10.1016/j.ijmultiphaseflow.2024.105044
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  • 2025
    Hippolyte Lerogeron, Vincent Faucher, Pierre Boivin, Julien Favier. LBM-based partitioned coupling for fast transient fluid-structure dynamics. Applied Mathematical Modelling, 2025, 149, pp.116274. ⟨10.1016/j.apm.2025.116274⟩. ⟨cea-05163942⟩ Plus de détails...

    LBM-based partitioned coupling for fast transient fluid-structure dynamics

    This article explores the numerical modeling of fast transient fluid-structure interactions, focusing on a two-way explicit partitioned coupling for realistic and efficient simulations. The proposed approach involves a compressible lattice Boltzmann method (LBM) for fluid dynamics and a finite element code for structural dynamics. An immersed boundary method is used to model the fluid-structure interface. The proposed method is validated against various fluid-structure interactions cases, demonstrating good agreement with experimental and numerical references. A multi-scale coupling strategy optimizes the computational load, achieving efficient space-time resolution for each sub-system independently.
    Hippolyte Lerogeron, Vincent Faucher, Pierre Boivin, Julien Favier. LBM-based partitioned coupling for fast transient fluid-structure dynamics. Applied Mathematical Modelling, 2025, 149, pp.116274. ⟨10.1016/j.apm.2025.116274⟩. ⟨cea-05163942⟩
    Journal: Applied Mathematical Modelling
    Date de publication: 01-01-2025
    Auteurs:
    Liste des documents:
    Digital object identifier (doi): http://dx.doi.org/10.1016/j.apm.2025.116274
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  • 2025
    Gabriel Meletti, Stéphane Abide, Uwe Harlander, Isabelle Raspo, Stéphane Viazzo. On the influence of the heat transfer at the free surface of a thermally driven rotating annulus. Physics of Fluids, 2025, 37 (3), pp.034101. ⟨10.1063/5.0248712⟩. ⟨hal-05007412⟩ Plus de détails...

    On the influence of the heat transfer at the free surface of a thermally driven rotating annulus

    Experiments on rotating annuli that are differentially heated in the radial direction have largely contributed to a better understanding of baroclinic instabilities. This configuration creates waves at a laboratory scale that are related to atmospheric circulations. Pioneer studies in baroclinic tanks have shown that experiments with low aspect ratios are more suitable to reproduce small-scale inertia gravity waves, but these tanks have a larger free surface, which leads to higher interactions with their surrounding environment. Considering the heat transferred through the free surface, the present work investigates its impacts on the baroclinic instability using direct numerical simulations (DNS).
    Gabriel Meletti, Stéphane Abide, Uwe Harlander, Isabelle Raspo, Stéphane Viazzo. On the influence of the heat transfer at the free surface of a thermally driven rotating annulus. Physics of Fluids, 2025, 37 (3), pp.034101. ⟨10.1063/5.0248712⟩. ⟨hal-05007412⟩
    Journal: Physics of Fluids
    Date de publication: 01-01-2025
    Auteurs:
    Liste des documents:
    Digital object identifier (doi): http://dx.doi.org/10.1063/5.0248712
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  • 2025
    Ksenia Kozhanova, Song Zhao, Raphaël Loubère, Pierre Boivin. A hybrid a posteriori MOOD limited lattice Boltzmann method to solve compressible fluid flows – LBMOOD. Journal of Computational Physics, 2025, 521, Part 2, pp.113570. ⟨10.1016/j.jcp.2024.113570⟩. ⟨hal-04802259⟩ Plus de détails...

    A hybrid a posteriori MOOD limited lattice Boltzmann method to solve compressible fluid flows – LBMOOD

    In this paper we blend two lattice-Boltzmann (LB) numerical schemes with an a posteriori Multi-dimensional Optimal Order Detection (MOOD) paradigm to solve hyperbolic systems of conservation laws in 1D and 2D. The first LB scheme is robust to the presence of shock waves but lacks accuracy on smooth flows. The second one has a second-order of accuracy but develops non-physical oscillations when solving steep gradients. The MOOD paradigm produces a hybrid LB scheme via smooth and positivity detectors allowing to gather the best properties of the two LB methods within one scheme. Indeed, the resulting scheme presents second order of accuracy on smooth solutions, essentially non-oscillatory behaviour on irregular ones, and, an ‘almost fail-safe’ property concerning positivity issues. The numerical results on a set of sanity test cases and demanding ones are presented assessing the appropriate behaviour of the hybrid LBMOOD scheme in 1D and 2D.
    Ksenia Kozhanova, Song Zhao, Raphaël Loubère, Pierre Boivin. A hybrid a posteriori MOOD limited lattice Boltzmann method to solve compressible fluid flows – LBMOOD. Journal of Computational Physics, 2025, 521, Part 2, pp.113570. ⟨10.1016/j.jcp.2024.113570⟩. ⟨hal-04802259⟩
    Journal: Journal of Computational Physics
    Date de publication: 01-01-2025
    Auteurs:
    Liste des documents:
    Digital object identifier (doi): http://dx.doi.org/10.1016/j.jcp.2024.113570
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Soutenances de thèses et HDR

Actualités
3 juillet 2025 - Ignition of hydrogen-based fuels : application to safety / Marc Le Boursicaud PhD Defense
Doctorant : Marc LE BOURSICAUD

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

Abstract:

Hydrogen safety has long been a critical concern in the aerospace and nuclear sectors. However, the growing interest in hydrogen as an alternative fuel for transportation has introduced new safety challenges. Storage solutions for such applications typically involve high-pressure gaseous hydrogen tanks operating at pressures of up to 700 bar. These conditions differ significantly from those traditionally studied, necessitating the development of predictive tools to assess ignition risks under these extreme conditions.

This thesis began with the development of a passive scalar approach to predict hydrogen ignition using computational fluid dynamics (CFD) tools. This model significantly reduces the numerical stiffness of the governing equations and, consequently, computational costs compared to conventional detailed or reduced mechanisms, while accurately capturing the physical phenomena responsible for ignition, particularly for high-pressure applications.

The core of this research focused on shock-induced ignition in cases of high-pressure hydrogen leakage from tanks or pipes. These scenarios pose numerous challenges, including complex flow dynamics and strong scale separation between the hydrogen/air diffusion layer and the flow. Such conditions render direct numerical simulations (DNS) impractical. To address these challenges, a novel pseudo-1D flow solver was developed, combining 1D and 3D representations using planar and spherical coordinates within a unified formulation. This solver successfully reproduced flow dynamics across various geometries and pressure ranges and demonstrated applicability to other pressurized gases. Additionally, the scalar model was applied to predict ignition within the diffusion layer. The resulting methodology is particularly efficient in assessing the ignition risk of high-pressure hydrogen leaks and enables investigations into geometric effects, including leaks from 2D and 3D tanks or pipes.

This approach was further extended to evaluate the impact of obstacles placed near the leakage (such as those representative of engine compartments). The presence of such obstacles induces reflection of the leading shock wave and its interaction with the diffusion layer. The methodology was enhanced to account for these phenomena, revealing that confinement significantly affects ignition risk for certain geometries and should not be overlooked in safety analyses.

Finally, the study explored ignition of hydrogen-ammonia blends, which have garnered interest as alternatives to pure hydrogen. Analytical expressions were derived to predict ignition times for canonical cases, and a tailored version of the passive scalar approach was developed to model these blends effectively.

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

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

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

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

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