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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

Thermodynamique, Ondes Numérique, Interfaces, Combustion
Présentation

L’équipe TONIC (Thermodynamique, Ondes, Numérique, Interfaces et Combustion) développe une activité de modélisation de phénomènes fortement multi-échelles. Elle couvre notamment les écoulements multiphasiques et/ou réactifs, depuis l’échelle de l’injecteur isolé (quelques mm) à l’échelle du feu de forêt pleinement développé (plusieurs hectares). 
Des méthodes numériques adaptées sont développées en parallèle, notamment pour l’imagerie des sols (détection de nappes par analyse acoustique), ou encore pour la modélisation des transferts radiatifs.

En parallèle à ces développements à caractère très multi-échelle, des travaux analytiques sont menés en appui à la construction de modèles. Un important effort de recherche est accordé à la modélisation de la thermodynamique des mélanges multiphasiques (calculs d’équilibre thermochimique, fermetures thermodynamiques complexes), ou encore au développement de modèles cinétiques réduits pour la combustion.

+ Modélisation des écoulements multiphasiques réactifs
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+ Modélisation et simulation de la propagation des feux de forêts
+ Thermodynamique des mélanges
+ Effets thermiques dans les systèmes en rotation

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
  • Evelyne NEAU
    Professeur émérite AMU
    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
  • Song ZHAO
    Ingénieur de Recherche CDI de mission
    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

  • 2024
    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...

    Lattice Boltzmann methods for combustion applications

    The lattice Boltzmann method, after close to thirty years of presence in computational fluid dynamics has turned into a versatile, efficient and quite popular numerical tool for fluid flow simulations. The lattice Boltzmann method owes its popularity in the past decade to its efficiency, low numerical dissipation and simplicity of its algorithm. Progress in recent years has opened the door for yet another very challenging area of application: Combustion simulations. Combustion is known to be a challenge for numerical tools due to, among many others, the large number of variables and scales both in time and space, leading to a stiff multi-scale problem. In the present work we present a comprehensive overview of models and strategies developed in the past years to model combustion with the lattice Boltzmann method and discuss some of the most recent applications, remaining challenges and prospects.
    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⟩
    Journal: Progress in Energy and Combustion Science
    Date de publication: 01-05-2024
    Auteurs:
    Liste des documents:
    Digital object identifier (doi): http://dx.doi.org/10.1016/j.pecs.2023.101140
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  • 2024
    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...

    Large eddy simulation of fire-induced flows using Lattice-Boltzmann methods

    Large-eddy simulations (LES) of the near-field region of large-scale fire plumes are performed for the first time with a pressure-based Lattice Boltzmann method (LBM) with low-Mach number approximation. Two scenarios are considered: the large-scale non-reactive helium plume and the 1 m methane pool fire, both investigated experimentally at Sandia. In the second scenario, a simplified modeling of the combustion and radiation processes is introduced involving a one-step irreversible reaction eddydissipation concept-based combustion model and a radiant fraction model, respectively. In both scenarios, a quantitative agreement is observed with the experimental data and model predictions are consistent with previouslypublished numerical studies. Our simulations demonstrate the computational efficiency of the proposed LBM solver to tackle fire-induced flows, suggesting that LBMs are a good alternative candidate for the modeling of fire-related problems.
    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⟩
    Journal: International Journal of Thermal Sciences
    Date de publication: 01-03-2024
    Auteurs:
    Liste des documents:
    Digital object identifier (doi): http://dx.doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2023.108801
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  • 2023
    Jacky Fayad, Gilbert Accary, Frédéric Morandini, François-Joseph Chatelon, Lucile Rossi, et al.. Numerical Assessment of Safe Separation Distance in the Wildland-Urban Interfaces. Fire, 2023, 6 (209), ⟨10.3390/fire6050209⟩. ⟨hal-04101026⟩ Plus de détails...

    Numerical Assessment of Safe Separation Distance in the Wildland-Urban Interfaces

    A safe separation distance (SSD) needs to be considered during firefighting activities (fire suppression or people evacuation) against wildfires. The SSD is of critical interest for both humans and assets located in the wildland-urban interfaces (WUI). In most cases, the safety zone models and guidelines assume a flat terrain and only radiant heating. Nevertheless, injuries or damage do not result exclusively from radiant heating. Indeed, convection must be also considered as a significant contribution of heat transfer, particularly in the presence of the combined effects of sloping terrain and a high wind velocity. In this work, a critical case study is considered for the village of Sari-Solenzara in Corsica (France). This site location was selected by the operational staff since highintensity fire spread is likely to occur in the WUI during wind-blown conditions. This study was carried out for 4 m high shrubland, a sloping terrain of 12° and a wind speed of 16.6 m/s. The numerical simulations were performed using a fully physical fire model, namely, FireStar2D, to investigate a case of fire spreading, which is thought to be representative of most high wildfire risk situations in Corsica. This study is based on the evaluation of the total (radiative and convective) heat flux received by two types of targets (human bodies and buildings) located ahead of the fire front. The results obtained revealed that the radiation was the dominant heat transfer mode in the evaluation of the SSD. In addition, the predictions were consistent with the criterion established by the operational experts, which assumes that in Corsica, a minimum SSD of 50 m is required to keep an equipped firefighter without injury in a fuelbreak named ZAL. This numerical work also provides correlations relating the total heat flux to the SSD.
    Jacky Fayad, Gilbert Accary, Frédéric Morandini, François-Joseph Chatelon, Lucile Rossi, et al.. Numerical Assessment of Safe Separation Distance in the Wildland-Urban Interfaces. Fire, 2023, 6 (209), ⟨10.3390/fire6050209⟩. ⟨hal-04101026⟩
    Journal: Fire
    Date de publication: 18-05-2023
    Auteurs:
    • Jacky Fayad
    • Gilbert Accary
    • Frédéric Morandini
    • François-Joseph Chatelon
    • Lucile Rossi
    • Thierry Marcelli
    • Dominique Cancellieri
    • Valérie Cancellieri
    • Yassine Rahib
    • Dominique Morvan
    • Sofiane Meradji
    • Antoine Pieri
    • Jean-Yves Duret
    • Jean-Louis Rossi
    Liste des documents:
    Digital object identifier (doi): http://dx.doi.org/10.3390/fire6050209
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  • 2023
    G. Farag, P. Boivin, P. Sagaut. Linear interaction approximation for shock/disturbance interaction in a Noble–Abel stiffened gas. Shock Waves, 2023, ⟨10.1007/s00193-023-01131-8⟩. ⟨hal-04097657⟩ Plus de détails...

    Linear interaction approximation for shock/disturbance interaction in a Noble–Abel stiffened gas

    When departure from the ideal gas equation of state is considered, the Noble-Abel stiffened gas model is an appealing and versatile candidate due to its simple form. The Linear Interaction Approximation formalism is extended to consider non-ideal gas effects introduced by this equation of state. Kovásznay decomposition and adequate definition of the energy of disturbances are provided in the context of this equation of state. Changes with respect to ideal gas are investigated on transfer functions, critical angle and compression factor. Those differences yield concrete effects on the damping and transfer of fluctuations across shock waves. Those changes are further illustrated by considering the interaction of an entropy spot with a Mach 3 stationary shock wave.
    G. Farag, P. Boivin, P. Sagaut. Linear interaction approximation for shock/disturbance interaction in a Noble–Abel stiffened gas. Shock Waves, 2023, ⟨10.1007/s00193-023-01131-8⟩. ⟨hal-04097657⟩
    Journal: Shock Waves
    Date de publication: 10-05-2023
    Auteurs:
    Liste des documents:
    Digital object identifier (doi): http://dx.doi.org/10.1007/s00193-023-01131-8
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  • 2023
    Song Zhao, Karthik Bhairapurada, Muhammad Tayyab, Renaud Mercier, Pierre Boivin. Lattice-Boltzmann modelling of the quiet and unstable PRECCINSTA burner modes. Computers and Fluids, 2023, pp.105898. ⟨10.1016/j.compfluid.2023.105898⟩. ⟨hal-04085625⟩ Plus de détails...

    Lattice-Boltzmann modelling of the quiet and unstable PRECCINSTA burner modes

    Song Zhao, Karthik Bhairapurada, Muhammad Tayyab, Renaud Mercier, Pierre Boivin. Lattice-Boltzmann modelling of the quiet and unstable PRECCINSTA burner modes. Computers and Fluids, 2023, pp.105898. ⟨10.1016/j.compfluid.2023.105898⟩. ⟨hal-04085625⟩
    Journal: Computers and Fluids
    Date de publication: 25-04-2023
    Auteurs:
    Liste des documents:
    Digital object identifier (doi): http://dx.doi.org/10.1016/j.compfluid.2023.105898
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Soutenances de thèses et HDR

Actualités Archives récentes
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
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)