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.
Gabriel Meletti, Stéphane Abide, Stephane Viazzo, Jezabel Curbelo, Uwe Harlander. Wave-like spirals and spontaneous oscillations in strato-rotational flows. Journal of Fluid Mechanics, 2026, 1035, pp.A38. ⟨10.1017/jfm.2026.11559⟩. ⟨hal-05636292⟩ Plus de détails...
This study investigates the dynamics of strato-rotational instability (SRI) in a stratified, rotating fluid, focusing on the interaction between axial modes and spiral components. Through numerical analysis, we find that SRI induces oscillatory behaviours that change the mean flow, leading to the selective activation of distinct axial wavenumbers associated with upward and downward propagating spiral modes. These results suggest wave–mean flow interactions. The use of Radon transforms (RTs) allowed us to separate these spiral components, showing that each upward and downward component was individually modulated, but out of phase with each other. Inspired by the RT findings, a simplified toy model was developed to interpret the spiral pattern changes linked to amplitude modulations. The model considers two wave-like spirals propagating in opposite axial directions, linearly interacting. By incorporating out-of-phase individual spiral modulations, the model reproduces the observed spiral pattern transitions, offering a straightforward interpretation of the underlying physical processes. To explore the mechanism of individual spiral modulations, we consider a quasi-biennial oscillation (QBO)-like framework derived from the Navier–Stokes aligns in a rotating frame. These findings contribute to a better understanding of low-frequency SRI dynamics and may offer insights into similar phenomena in geophysical and astrophysical contexts.
Gabriel Meletti, Stéphane Abide, Stephane Viazzo, Jezabel Curbelo, Uwe Harlander. Wave-like spirals and spontaneous oscillations in strato-rotational flows. Journal of Fluid Mechanics, 2026, 1035, pp.A38. ⟨10.1017/jfm.2026.11559⟩. ⟨hal-05636292⟩
Jinhua Lu, Thomas Gregorczyk, Song Zhao, Pierre Boivin. Phase-field-based recursive regularized multiphase lattice Boltzmann model with a consistent pressure scheme. International Journal of Multiphase Flow, 2026, 195, pp.105500. ⟨10.1016/j.ijmultiphaseflow.2025.105500⟩. ⟨hal-05344425⟩ Plus de détails...
Multiphase lattice Boltzmann models with enhanced stability and no deviation terms.
• Consistent pressure scheme decoupled from density and viscosity variations.
• The proposed model shows superior numerical stablity and accuracy.
Jinhua Lu, Thomas Gregorczyk, Song Zhao, Pierre Boivin. Phase-field-based recursive regularized multiphase lattice Boltzmann model with a consistent pressure scheme. International Journal of Multiphase Flow, 2026, 195, pp.105500. ⟨10.1016/j.ijmultiphaseflow.2025.105500⟩. ⟨hal-05344425⟩
Benoît Péden, Pierre Boivin, Nicolas Odier. Large-Eddy Simulation of a 3D airblast injector using a diffuse interface four-equation model: effects of evaporation and combustion. Combustion and Flame, 2026, 285, pp.114771. ⟨10.1016/j.combustflame.2026.114771⟩. ⟨hal-05557933⟩ Plus de détails...
This work presents Large-Eddy Simulations of a three-dimensional airblast-type injector using a diffuse-interface Multi-Fluid approach. A four-equation model is employed, including a consistent phase transition solver and a thermodynamic closure suitable for evaporating and reacting flows. The influence of evaporation and combustion on the spray and flow dynamics is investigated through a comparative analysis of cold, evaporative, and reactive configurations. The method is first validated against reference results and known behavior for similar injector geometries. It is shown that the addition of evaporation significantly alters the liquid fuel distribution, particularly in the inner recirculation zone, while combustion further modifies both liquid and gaseous fuel fields due to temperatureinduced evaporation and fuel consumption. The reacting case exhibits typical flame features, including hollow cone structures and localized high-temperature zones near stoichiometric mixture fractions. These phenomena align well with expected flame behavior under airblast conditions. Phase transition and combustion also have a notable impact on the velocity field, with increased expansion and stronger recirculation induced by heat release. The proposed model captures these effects in a unified framework. Finally, the present multi-physics approach enables consistent and efficient simulation of multiphase, reactive sprays, providing physical insight into the coupled interaction between atomization, evaporation, and combustion. The method shows good numerical performance on the 3D injector, with a reduced computational time of 2.1 × 10 -5 s.mpi/node/it, which has no overcost compared to the Lagrangian reference model. The fully explicit treatment of the equation of state (NASG) ensures excellent robustness on complex geometries, while avoiding the iterative procedure required by cubic-type EoS. These numerical properties make the DIM suitable for industrial LES configurations involving evaporation and combustion, and further model development.
Benoît Péden, Pierre Boivin, Nicolas Odier. Large-Eddy Simulation of a 3D airblast injector using a diffuse interface four-equation model: effects of evaporation and combustion. Combustion and Flame, 2026, 285, pp.114771. ⟨10.1016/j.combustflame.2026.114771⟩. ⟨hal-05557933⟩
A. Fayet, Stéphane Mimouni, Luc Favre, Catherine Colin, Pierre Boivin, et al.. Modeling and numerical simulation of boiling flows: application and dataset release of the DEBORA experiment. International Journal of Heat and Mass Transfer, In press, ⟨10.2139/ssrn.5718803⟩. ⟨hal-05571906⟩ Plus de détails...
Computational Fluid Dynamics (CFD) is widely used in nuclear engineering for safety related studies or for new design investigations. Co-developed by EDF, CEA, ASNR and Framatome, the NEPTUNE_CFD code is specialized in nuclear thermal-hydraulic applications allowing the simulation of two-phase flows on complex geometries. Recently, a new Heat Flux Partitioning (HFP) model has been proposed by Favre et al. [1] for a thorough description of the boiling phenomena, including, among others, the effect of wall sliding bubbles. However, an excessive increase in computation time follows the subsequent modeling improvement. This paper presents an optimization of the bubble sliding calculation returning to a reasonable computation time compatible with industrial applications. The newly developed model is then validated using NEPTUNE_CFD and compared to the DEBORA experimental data, featuring R12 coolant boiling flow within a characteristic non-dimensional scope of a Pressurized Water Reactor (PWR). The improvement in the wall temperature calculation is demonstrated by several simulations implementing the new HFP model. To support the community's validation and benchmarking efforts, the complete DEBORA experimental dataset is made publicly available for the first time as part of this work, provided under a CC BY 4.0 license. This contribution advances both modeling capabilities and data availability, promoting transparency and reproducibility in multiphase CFD for nuclear applications
A. Fayet, Stéphane Mimouni, Luc Favre, Catherine Colin, Pierre Boivin, et al.. Modeling and numerical simulation of boiling flows: application and dataset release of the DEBORA experiment. International Journal of Heat and Mass Transfer, In press, ⟨10.2139/ssrn.5718803⟩. ⟨hal-05571906⟩
Journal: International Journal of Heat and Mass Transfer
Jian Cardenas, Song Zhao, Isabelle Raspo, Guillaume Chiavassa, Pierre Boivin. Lattice-Boltzmann methods for supercritical fluids flows. Journal of Supercritical Fluids, 2026, 230, pp.106838. ⟨10.1016/j.supflu.2025.106838⟩. ⟨hal-05608205⟩ Plus de détails...
This article develops two algorithms for the thermal Lattice Boltzmann Method (LBM) to simulate supercritical fluid dynamics using real-fluid thermodynamics. The first algorithm employs a compressible formulation (LBM-C), while the second is based on a Low Mach Number approximation (LBM-LMN) to enhance computational efficiency without compromising physical fidelity. Both approaches use a conservative scheme compatible with cubic equations of state (EOS), enabling accurate representation of non-ideal behaviors under supercritical conditions and ensuring mass, momentum, and energy conservation. Validation on canonical supercritical flow benchmarks demonstrates that the LBM-LMN approach achieves accuracy comparable to the compressible formulation while reducing the overall computational time by a factor of about 15, as quantified by the RTTS parameter.
Jian Cardenas, Song Zhao, Isabelle Raspo, Guillaume Chiavassa, Pierre Boivin. Lattice-Boltzmann methods for supercritical fluids flows. Journal of Supercritical Fluids, 2026, 230, pp.106838. ⟨10.1016/j.supflu.2025.106838⟩. ⟨hal-05608205⟩
8 juin 2026
- Modélisation d'écoulement CO2 supercritique et de transferts thermiques appliquée à une structure de machine thermique innovante / Soutenance de thèse Jian Cardenas Cabezas
Doctorant : Jian CARDENAS CABEZAS
Date et lieu : le lundi 8 juin 2026 à 12h30 dans l’Amphithéâtre N°3, Centrale Méditerranée ; 38 rue Frédéric Joliot Curie,13013 Marseille
Résumé : L'amélioration de l'efficacité énergétique des systèmes industriels constitue un enjeu majeur de la transition énergétique. Une part importante de l'énergie primaire est dissipée sous forme de chaleur fatale, notamment à basse et moyenne température, où les solutions de valorisation restent limitées. Dans ce contexte, les cycles au dioxyde de carbone supercritique (sCO2) suscitent un intérêt croissant grâce à leur compacité, à leur potentiel de rendement élevé et aux propriétés du fluide près du point critique. Leur déploiement reste toutefois freiné par des verrous technologiques et par la difficulté de modéliser le fluide réel. Cette thèse étudie un concept innovant de compression thermiquement entraînée, appelé SHREC, développé avec le partenaire industriel CIXTEN. Contrairement aux cycles de Brayton classiques, fondés sur un compresseur mécanique alimenté électriquement, le dispositif SHREC convertit directement l'énergie thermique, idéalement issue de chaleur fatale, en travail de compression. En réduisant le recours à la compression mécanique, il vise à diminuer la consommation électrique auxiliaire et à améliorer le rendement global des cycles au sCO2. La principale difficulté scientifique réside dans la modélisation du CO2 supercritique. À proximité du point critique, de faibles variations de température ou de densité induisent de fortes non-linéarités sur la densité, la capacité calorifique, la compressibilité et les propriétés de transport. Les hypothèses de gaz parfait ou de propriétés constantes deviennent alors inadaptées. Le dispositif SHREC fonctionne en outre à faible nombre de Mach et dans des géométries complexes, ce qui impose des exigences élevées de stabilité, de conservation de masse et de cohérence thermodynamique. Pour répondre à ces enjeux, une approche de modélisation multi-échelle a été développée. À l'échelle système, un modèle thermodynamique zéro-dimensionnel (0D), fondé sur une équation d'état cubique, a été élaboré pour décrire le comportement du fluide supercritique. Il permet de prédire rapidement les performances globales et de réaliser des analyses de cycle. Des essais expérimentaux sur un prototype à échelle réduite ont permis de mesurer l'évolution de la pression, des températures, de la puissance produite, du coefficient de performance et des destructions d'exergie. Les résultats montrent que les principales irréversibilités se situent dans l'unité expanseur-compresseur et dans les échangeurs de chaleur principaux. À l'échelle locale, un cadre numérique tridimensionnel fondé sur la méthode de Boltzmann sur réseau a été développé et adapté aux fluides réels. Une formulation compressible à faible nombre de Mach a été implémentée et couplée à une équation d'état cubique pour reproduire les effets thermodynamiques supercritiques. Les géométries complexes ont été traitées par la méthode des frontières immergées. L'approche a d'abord été validée sur des jets supercritiques de la littérature, puis appliquée au dispositif SHREC pour résoudre les champs transitoires de température et de pression. La comparaison entre les simulations CFD et le modèle 0D montre que l'hypothèse d'équilibre instantané de pression entre les chambres n'est pas strictement vérifiée. Le modèle 0D ne reproduit pas les déséquilibres locaux, mais il restitue correctement la dynamique globale de compression et de détente, tandis que les simulations CFD fournissent une description détaillée des mécanismes internes d'écoulement et de transfert thermique. Ce travail montre que l'étude fiable des systèmes au sCO2 requiert une combinaison cohérente entre thermodynamique des fluides réels, modélisation réduite, simulations numériques et validation expérimentale. Il contribue au développement de technologies de compression thermiquement entraînée pour la valorisation de chaleur fatale et pose les bases de systèmes compacts pour les cycles énergétiques de nouvelle génération.
Mots clés : CO2 supercritique, Transfert thermique, Machine thermique innovante
Jury
M. BOIVIN Pierre CNRS, M2P2 - Directeur de thèse
M. RIBERT Guillaume INSA Rouen Normandie - Examinateur
Mme RASPO Isabelle CNRS, M2P2 - Examinatrice
M. MELDI Marcello ENSAM - Président du Jury
M. FERRASSE Jean-Henry Aix Marseille Université, M2P2 - Co-encadrant
M. FAVIER Julien Aix Marseille Université, M2P2 - Co-Directeur de thèse
M. SCHMITT Thomas CNRS, EM2C -Rapporteur
M. SILVA Gonçalo Universidade de Évora, Portugal - Rapporteur
6 février 2026
- Étude du transport turbulent des particules énergétiques dans les plasmas de fusion nucléaire par des simulations de trajectoires et des techniques d’intelligence artificielle / Soutenance de thèse Benoît Clavier
Doctorant : Benoît CLAVIER
Date et lieu : le vendredi 6 février à 14h00, M2P2 - salle Labus, Centrale Méditerranée
Résumé : Cette thèse étudie le transport turbulent de particules chargées dans les plasmas de fusion magnétisés en combinant modèles réduits de turbulence, simulations numériques de trajectoires et approches data-driven fondées sur l’intelligence artificielle. Après une présentation du cadre physique du transport radial dans un tokamak et du modèle de Hasegawa–Wakatani, des diagnostics eulériens et lagrangiens sont développés afin d’obtenir des mesures de transport de référence. Le travail analyse ensuite le transport de particules tests dans différents régimes turbulents, en mettant en évidence les limites de certaines approximations classiques et la complexité de la dynamique des particules énergétiques. L’étude est étendue à une turbulence tridimensionnelle plus réaliste de type ion-temperature-gradient (ITG), permettant d’établir des lois d’échelle pour la diffusion radiale. Enfin, un modèle de génération de turbulence synthétique fondé sur un Convolutional Variational Autoencoder (CVAE) couplé à un modèle dynamique est proposé pour reproduire efficacement la turbulence et accélérer les études de transport, illustrant le potentiel des approches data-driven pour les recherches futures en physique des plasmas.
Jury
David ZARZOSO-FERNANDEZ - Chargé de recherche - CNRS M2P2 - Directeur de thèse
Emmanuel FRéNOD - Professeur des universités - Université Bretagne Sud - Co-directeur de thèse
Victor TRIBALDOS - Professeur des universités - Universidad Carlos III de Madrid - Rapporteur
Julien LE SOMMER - Directeur de recherche - CNRS, IGE Grenoble - Examinateur
Maxime LESUR - Professeur des universités - Université de Lorraine - Institut Jean Lamour - Rapporteur
Mitra FOULADIRAD - Professeure des universités - Centrale Méditerranée - Président
