Modélisation des écoulements multiphasiques réactifs
Modélisation et simulation de la propagation des feux de forêts
Thermodynamique des mélanges
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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.
équipe Thermodynamiques, Ondes, Numérique, Interfaces et Combustion
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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...
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
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 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
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⟩
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...
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⟩
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...
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⟩
Jeudi 19 Décembre 2019
- Simulating multiphase reactive flows: issues & techniques / Soutenance HDR Pierre BOIVIN
Dr. Pierre BOIVIN
Date de la soutenance : jeudi 19 décembre 2019 à 14h, dans l'amphithéâtre 3 de Centrale de Marseille / Plot 6
Résumé :
Je présenterai (en anglais) une sélection de travaux que j'ai réalisé ou dirigé depuis l'obtention de mon doctorat. Pour ce faire, je démarrerai par une introduction sur mon parcours, suivie d'une courte présentation entièrement subjective des challenges restants en modélisation des écoulements réactifs. Je tenterai enfin de donner quelques pistes de recherche permettant d'apporter une meilleure compréhension des phénomènes physiques en jeu. J'aborderai en particulier des questions de cinétique chimique, de thermodynamique, ou encore de méthodes numériques pour la mécanique des fluides.
Tuteur:
Pierre HALDENWANG
Jury:
Luc Vervisch, rapporteur,
Thierry Poinsot, rapporteur,
Vincent Giovangigli, rapporteur,
Elaine Oran, examinateur,
Pascale Domingo, examinateur,
Pierre Sagaut, examinateur,
Sergey Gavrilyuk, examinateur.
Mardi 2 Juillet 2019
- Physique et modélisation du comportement des feux de forêts / Soutenance de thèse de Nicolas FRANGIEH
Doctorant : Nicolas FRANGIEH
Date de la soutenance : Mardi 2 Juillet 2019 à 10h30 / Centrale Marseille, Amphithéâtre 3
Résumé de la thèse :
La suppression des feux de forêt nécessite une bonne connaissance des mécanismes physiques régissant le comportement du feu (ignition, croissance initiale, propagation). En tant qu’outil complémentaire à la recherche expérimentale, la modélisation des feux de forêt est considérée comme une approche intéressante pour progresser sur la connaissance des différents processus rencontrés dans les feux de forêt.
Ce travail de recherche est dédié à l’étude numérique du comportement des feux se propageant librement à travers un couvert végétal homogène (depuis l’ignition jusqu’à la propagation), à l'aide du modèle "FireStar3D". Différentes configurations sont abordées dans cette thèse : les feux de litière réalisés à l’échelle du laboratoire en milieu confiné (dans le tunnel à feu du laboratoire de Missoula), et à plus grande échelle, les feux de prairie où deux types de ligne d’allumage ont été considérés (ligne de longueur finie et quasi-infinie). Les simulations ont été réalisées à l'aide de deux modèles de turbulence : le modèle k-e des équations de transport moyennées (approche RANS) et la simulation numérique des grandes structures (LES). La comparaison avec les données expérimentales concerne principalement la vitesse de propagation du feu, l'intensité du feu, la fréquence des fluctuations des flammes et la longueur d'onde caractérisant la structuration en crête et en creux du front de flammes dans la direction transversale. Les résultats numériques ont mis en évidence la compétition entre les forces de flottaison et les forces d'inertie du vent dans la détermination du comportement du feu, ainsi que la similarité dynamique du front de flammes (intensité et structuration 3D) à petite et grande échelles.
Cette thèse a été également menée dans le cadre du développement et de la validation du modèle "FireStar3D". Le niveau de détails dans le modèle physique, les propriétés de la méthode numérique utilisée et le bon accord obtenu avec les données expérimentales et numériques rapportées dans la littérature, ont permis à "FireStar3D" de se positionner favorablement au niveau international, parmi les outils numériques les plus couramment utilisés pour étudier le comportement des feux de forêt.
Mots Clés : Feux de forêts,Modélisation,Turbulence,Combustion,Transfert de chaleur,Simulation numérique,
Jury
Directeur de these M. Dominique MORVAN Aix-Marseille Université / M2P2
Rapporteur M. Jean-Louis ROSSI Université de Corse
Rapporteur M. Jean-Luc DUPUY Institut National de Recherche Agronomique (INRA)
Examinateur M. Olivier VAUQUELIN Aix-Marseille Université / IUSTI
