Instabilité, turbulence et couplages

Écoulements industriels

Écoulements biologiques

Écoulements pour la fusion magnétique

suite...

Instabilités, Turbulence et Couplages
Présentation

L’équipe développe une expertise multidisciplinaire centrée autour de la modélisation numérique et de l’étude d’écoulements de fluides neutres ou ionisés (plasma) pour l’optimisation de systèmes industriels ou technologiques dans quatre grands domaines à fort impact sociétal : énergie, aménagement  et urbanisme, transport, et santé.
La physique de ces systèmes est celle des phénomènes hors-équilibres et couplés, avec des instabilités conduisant à la turbulence, et des interactions entre fluide et structure, mélange et transferts, turbulence et transport, … qui nécessitent le développement de méthodes et de codes de simulations originaux. Ces études souvent réalisées dans des régimes de paramètres pertinents pour l’application se font dans le cadre de collaborations fortes  avec nos partenaires socio-économiques (AIRBUS, SAFRAN, IRSN, CEA, ITER, AP-HM…) qui sont dans l’ADN de l’équipe.

L’équipe compte actuellement 12 chercheurs et enseignants chercheurs, et  structure son activité autour de 3 grandes familles d’écoulements.

Responsable

x >

Annuaire personnel permanent

x >

Doctorants, Post-Doctorants et CDD

x >

Dernières publications de l'équipe

  • 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...
  • Jérémie Labasse, Uwe Ehrenstein, Guillaume Fasse, Frédéric Hauville. Thrust scaling for a large-amplitude heaving and pitching foil with application to cycloidal propulsion. Ocean Engineering, 2023, 275, pp.114169. ⟨10.1016/j.oceaneng.2023.114169⟩. ⟨hal-04032117⟩ Plus de détails...
  • Thomas Gianoli, Jean‐françois Boussuge, Pierre Sagaut, Jérôme de Laborderie. Development and validation of Navier–Stokes characteristic boundary conditions applied to turbomachinery simulations using the lattice Boltzmann method. International Journal for Numerical Methods in Fluids, 2023, 95 (4), pp.528-556. ⟨10.1002/fld.5160⟩. ⟨hal-04063964⟩ Plus de détails...
  • Richard M Lueptow, Rainer Hollerbach, Eric Serre. Taylor–Couette and related flows on the centennial of Taylor’s seminal Philosophical Transactions paper: part 1. Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 2023, 381 (2243), ⟨10.1098/rsta.2022.0140⟩. ⟨hal-03989060⟩ Plus de détails...
  • Rainer Hollerbach, Richard M Lueptow, Eric Serre. Taylor–Couette and related flows on the centennial of Taylor’s seminal Philosophical Transactions paper: part 2. Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 2023, 381 (2246), ⟨10.1098/rsta.2022.0359⟩. ⟨hal-04057399⟩ Plus de détails...
x >

Dernières rencontres scientifiques

Soutenances de thèses et HDR

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)
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