L’équipe développe une expertise en simulation numérique et analyse prédictive d’écoulements dans des domaines d'applications centrés sur l’aéronautique, la fusion, les écoulements pulmonaires et les transferts hydrodynamiques. Des méthodes numériques innovantes et optimisées y sont développées pour répondre à des enjeux scientifiques fondamentaux, des applications industrielles, et des problématiques sociétales actuelles.
L’équipe compte actuellement 10 chercheurs et enseignants chercheurs, et se structure autour de 4 axes de recherche :
Stefano Di Genova, Alberto Gallo, Luca Cappelli, Nicolas Fedorczak, Hugo Bufferand, et al.. Global analysis of tungsten migration in WEST discharges using numerical modelling. Nuclear Fusion, 2024, ⟨10.1088/1741-4326/ad82f9⟩. ⟨hal-04739577⟩ Plus de détails...
Plasma discharges in the tungsten (W) Environment Steady-state Tokamak (WEST) are strongly impacted by W contamination. In WEST experiments, due to W contamination, the power radiated in the plasma (PRad) is on average, around 50% of the total power injected into the plasma (PTOT). Furthermore, this radiated power fraction (fRad) is almost insensitive to plasma conditions. The causes behind this experimental trend are not fully understood. In this contribution, a 3D numerical model is used to analyze the W migration in the WEST boundary plasma in different plasma scenarios. The WEST experimental database is sampled to obtain a scan of simulation input parameters. These parameters mimic the WEST plasma conditions over a chosen experimental campaign. The simulation results are compared to WEST diagnostics measurements (reflectometry, Langmuir probes, and visible spectroscopy) to verify that the simulated plasma conditions are representative of the WEST database. The W contamination trend is analysed: the W density (nW) strongly decreases when the radial distance between the separatrix and WEST antennas (Radial Outer Gap, ROG) increases. On the other hand, at a given ROG, nW increases proportionally with the power entering the scrape-off layer (PSOL). PRad is estimated with a simple 0D model. For a fixed ROG, fRad is not sensitive to plasma conditions. These trends are qualitatively and, at times, quantitatively comparable to what is observed in WEST experiments: the simulated trends are related to the poorly screened W influx caused by the erosion of the main chamber Plasma-Facing Components (PFCs). Thus, this numerical analysis suggests a possible interpretation of WEST experimental trends.
Stefano Di Genova, Alberto Gallo, Luca Cappelli, Nicolas Fedorczak, Hugo Bufferand, et al.. Global analysis of tungsten migration in WEST discharges using numerical modelling. Nuclear Fusion, 2024, ⟨10.1088/1741-4326/ad82f9⟩. ⟨hal-04739577⟩
M. Scotto D’abusco, I. Kudashev, G. Giorgiani, Anna Glasser, F. Schwander, et al.. First integrated core-edge fluid simulation of ITER’s Limiter-Divertor transition with SolEdge-HDG. Nuclear Materials and Energy, 2024, pp.101750. ⟨10.1016/j.nme.2024.101750⟩. ⟨hal-04720290⟩ Plus de détails...
This work explores the Limiter-Divertor transition (L-D) during the current ramp-up of ITER's Q=10 baseline plasma scenario at various central line-integrated density n_(li) values. The analysis, based on transport simulations performed with the latest version of SoleEdge-HDG, focuses on the time evolution of heat and ion particle fluxes, revealing regions of elevated temperature on the inner wall and plasma-facing components (PFCs) despite moderate loads.The investigation also delves into the effects of perpendicular convection flux terms on density build-up, comparing different formulations and their interplay with auxiliary heating sources. Furthermore, the paper shows the impact of taking into account the evolution of the parallel neutral momentum on plasma and neutral density at the targets in the context of an ITER steady-state scenario.
M. Scotto D’abusco, I. Kudashev, G. Giorgiani, Anna Glasser, F. Schwander, et al.. First integrated core-edge fluid simulation of ITER’s Limiter-Divertor transition with SolEdge-HDG. Nuclear Materials and Energy, 2024, pp.101750. ⟨10.1016/j.nme.2024.101750⟩. ⟨hal-04720290⟩
Q. Mao, Umberto d'Ortona, J. Favier. Hydrodynamic coupling of a cilia–mucus system in Herschel–Bulkley flows. Journal of Fluid Mechanics, 2024, 994, pp.A8. ⟨10.1017/jfm.2024.600⟩. ⟨hal-04735292⟩ Plus de détails...
The yield stress and shear thinning properties of mucus are identified as critical for ciliary coordination and mucus transport in human airways. We use here numerical simulations to explore the hydrodynamic coupling of cilia and mucus with these two properties using the Herschel–Bulkley model, in a lattice Boltzmann solver for the fluid flow. Three mucus flow regimes, i.e. a poorly organized regime, a swirly regime, and a fully unidirectional regime, are observed and analysed by parametric studies. We systematically investigate the effects of ciliary density, interaction length, Bingham number and flow index on the mucus flow regime formation. The underlying mechanism of the regime formation is analysed in detail by examining the variation of two physical quantities (polarization and integral length) and the evolution of the flow velocity, viscosity and shear-rate fields. Mucus viscosity is found to be the dominant parameter influencing the regime formation when enhancing the yield stress and shear thinning properties. The present model is able to reproduce the solid body rotation observed in experiments (Loiseau et al. , Nat. Phys. , vol. 16, 2020, pp. 1158–1164). A more precise prediction can be achieved by incorporating non-Newtonian properties into the modelling of mucus as proposed by Gsell et al. ( Sci. Rep. , vol. 10, 2020, 8405).
Q. Mao, Umberto d'Ortona, J. Favier. Hydrodynamic coupling of a cilia–mucus system in Herschel–Bulkley flows. Journal of Fluid Mechanics, 2024, 994, pp.A8. ⟨10.1017/jfm.2024.600⟩. ⟨hal-04735292⟩
L Cappelli, N Fedorczak, E Serre. Semi-analytical modelling of prompt redeposition in a steady-state plasma. Nuclear Fusion, 2024, 64 (10), pp.106028. ⟨10.1088/1741-4326/ad6c5e⟩. ⟨hal-04685227⟩ Plus de détails...
A steady-state, 1D semi-analytical model for prompt redeposition based on the separation between redeposition caused by the electric field in the sheath and redeposition related to gyromotion is here described. The model allows for the estimation of not only the fraction of promptly redeposited flux but also the energy and angular distribution of the non-promptly redeposited population, along with their average charge state. Thus, the temperature and mean parallel-to-B velocity of the non-promptly redeposited flux are also available. The semi-analytical model was validated against equivalent Monte Carlo simulations across a broad range of input parameters. In this paper the eroded material under exam was tungsten (W) for which the code demonstrated consistent agreement with respect to numerical results, within its defined validity limits. The model can theoretically provide a solution for any material, temperature and electron density profile in the sheath, monotonic potential drop profile, and sputtered particles energy and angular distribution at the wall. As such, this code emerges as a potential tool for addressing the boundary redeposition phenomenon in fluid impurity transport simulations.
L Cappelli, N Fedorczak, E Serre. Semi-analytical modelling of prompt redeposition in a steady-state plasma. Nuclear Fusion, 2024, 64 (10), pp.106028. ⟨10.1088/1741-4326/ad6c5e⟩. ⟨hal-04685227⟩
I Kudashev, M Scotto D’abusco, A Glasser, E Serre, F Schwander, et al.. Global particle buildup simulations with gas puff scan: application to WEST discharge. Frontiers in Physics, 2024, 12, ⟨10.3389/fphy.2024.1407534⟩. ⟨hal-04703430⟩ Plus de détails...
This paper deals with the distribution of sources, transport, and exhaust of particles in a tokamak. Knowledge and understanding of all the physical phenomena involved in the global particle buildup are necessary to study and predict density regimes and subsequently to develop optimized scenarios for tokamak operation in order to control heat and particle exhaust. Neutral particles and their interactions with plasma are central in this perspective. This paper discusses the impact of varying the intensity of particle fueling in 2D transport simulations of a WEST discharge. Simulations are performed with an updated version of SOLEDGE-HDG that allows a more realistic transport of neutrals using a self-consistent diffusive model based on charge exchange and ionization processes. New code capabilities allow the entire WEST poloidal cross section to be simulated in a realistic configuration for both geometry and the range of control parameters. A gas puff scan illustrates the main features of the sheathlimited, high-recycling, and detached regimes, such as the buildup of the temperature gradient and the pressure drop in the scrape-off layer (SOL), the target temperature falling to 1 eV, and the ionization source moving away from the targets, as well as the particle flux rollover. A crude estimate of wall erosion is also provided, showing the respective role of each plasma wall component in each of these regimes.
I Kudashev, M Scotto D’abusco, A Glasser, E Serre, F Schwander, et al.. Global particle buildup simulations with gas puff scan: application to WEST discharge. Frontiers in Physics, 2024, 12, ⟨10.3389/fphy.2024.1407534⟩. ⟨hal-04703430⟩
Jeudi 15 octobre 2020 à 14h
- Couplage entre le transport d'un soluté, la pression osmotique et les instabilités hydrodynamiques dans la configuration de Taylor-Couette-Application aux procédés de filtration membranaires / Soutenance de thèse Rouae BEN DHIA
Doctorant : Rouae BEN DHIA
Date de la soutenance : Jeudi 15 Octobre 2020 à 14:00
Ecole centrale Marseille, 38 Rue Frédéric Joliot Curie, 13451 Marseille, Amphi 3
Résumé :
L'osmose inverse RO est par exemple l'un des processus de filtration membranaire les plus importants qui jouent un rôle primordial dans les technologies de purification de l'eau. Néanmoins, les performances du RO sont limitées par la polarisation de la concentration. Aucune étude quantitative n'existe pour évaluer comment les instabilités hydrodynamiques interagissent avec la pression osmotique élevée à la surface de la membrane en raison de la polarisation de la concentration. Ce projet de recherche s'intéresse au couplage entre les instabilités hydrodynamiques et la pression osmotique liée à la formation d'une couche limite de concentration au niveau de la membrane. L'impact des instabilités hydrodynamiques sur le flux de filtration est étudié qualitativement et quantitativement ici. Les instabilités hydrodynamiques considérées sont celles observées dans l'écoulement Taylor-Couette, connues par vortex de Taylor. La configuration de Taylor-Couette est donc utilisée comme un modèle de systèmes RO. Pour aborder qualitativement et quantitativement les interactions entre le transfert de masse, les instabilités hydrodynamiques et la pression osmotique dans la cellule de Taylor-Couette, deux approches analytiques et numériques sont développées. L'approche analytique est basée sur une analyse de stabilité linéaire et faiblement non linéaire. L'analyse de stabilité linéaire est utilisée pour prédire les conditions critiques correspondant à l'apparition de structures tourbillonnaires sous l'effet de la pression osmotique. Il a été démontré que la pression osmotique liée au flux transmembranaire radial a un effet significatif sur la stabilité de l'écoulement. En développant la théorie faiblement non linéaire, des instabilités hydrodynamiques ont été identifiées utiles pour améliorer le débit de filtration malgré la présence de la pression osmotique. L'approche numérique est basée sur des simulations numériques directes (DNS) utilisant la méthode de collocation spectrale. DNS montre un excellent accord avec les prévisions analytiques pour la plupart des cas. De plus, elle permet de quantifier l'impact des instabilités sur le flux de perméat à travers les membranes. Les résultats démontrent l'augmentation du flux de perméat.
Jury:
Directeur de these M. Pierre HALDENWANG Aix Marseille Université / M2P2
Directeur de these M. Denis MARTINAND Aix Marseille Université / M2P2
Rapporteur Mme Cécile LEMAITRE LRGP, Université de Lorraine - ENSIC
Rapporteur M. Innocent MUTABAZI Université le Havre Normandie
Examinateur M. Nils TILTON Department of Mechanical Engineering, Colorado School of Mines
Examinateur Mme Caroline GENTRIC Université de Nantes / GEPEA
Mercredi 4 Décembre 2019
- Etude des méthodes lattice Boltzmann pour les simulations de systèmes d'air secondaires de turbomachines / Soutenance de thèse de Gauthier WISSOCQ
Doctorant : Gauthier WISSOCQ
Date de la soutenance : Mercredi 4 décembre 2019 à 10:00, CERFACS 42 Avenue Gaspard Coriolis, 31100 Toulouse / Salle Jean-Claude André
Résumé de la thèse :
Ces dernières décennies, l'optimisation du rendement des turbomachines s'est traduite par une augmentation constante de la température d'air en veine primaire. Des températures élevées pouvant avoir des effets néfastes sur la durée de vie du moteur en raison de charges thermiques trop importantes ou de jeux mal contrôlés, un système de refroidissement efficace et bien dimensionné est indispensable. C'est notamment le rôle du circuit de bore cooling, composé d'une succession de cavités tournantes, dans lesquelles une compétition a lieu entre les forces d'inertie, les gradients de température et la convection forcée induite par un jet axial. Ces phénomènes donnent naissance à des écoulements instationnaires complexes, non-axisymmétriques et de périodicité a priori inconnue. La simulation de tels écoulements représente un défi majeur pour la modélisation numérique, nécessitant des codes adaptés aux calculs instationnaires longs et tridimensionnels. Cette thèse se consacre à l'étude d'une méthode numérique particulière pour la simulation de tels écoulements : la méthode de Boltzmann sur réseau, ou lattice Boltzmann method (LBM), qui possède les avantages d'être intrinsèquement instationnaire, relativement rapide et parfaitement adaptée aux géométries tridimensionelles complexes. Dans un premier temps, une étude des instabilités apparaissant dans les cavités tournantes soumises à des gradients de température radiaux est proposée. Des analyses de stabilité linéaire sont appliquées à des cas de géométries annulaires représentatives des plans axiaux des cavités tournantes. Elles permettent de déterminer la structure de l'écoulement en régime linéaire ainsi que les nombres de Rayleigh et Reynolds critiques d'apparition d'instabilités. Néanmoins, ces analyses ne permettent pas de rendre compte des effets non linéaires du cycle limite qui nécessitent une méthode adaptée. La suite de la thèse se consacre au potentiel de la LBM pour de telles simulations. Une étude fine des instabilités numériques pouvant survenir dans les conditions d'application de la méthode est proposée. Une méthodologie particulière développée durant cette thèse, basée sur l'approche de von Neumann, permet d'identifier clairement les ondes propagées par le schéma et souligne les phénomènes numériques à l'origine des instabilités. Cette étude met en évidence l'effet de nombreux paramètres sur la stabilité numérique tels que le choix du lattice et du modèle de collision. Une analyse proposée sur les modèles régularisés souligne deux propriétés fondamentales de ces schémas qui ont une grande influence sur la stabilité numérique en écoulement subsonique. Des applications de la LBM aux écoulements de cavités tournantes sont finalement réalisées. Le logiciel commercial PowerFLOW, seul code LBM suffisamment mature pour des modélisations de gaz parfait, est utilisé. Le code est évalué sur des cas académiques de complexité croissante (cavité bidimensionnelle, cavité fermée et cavité tournante avec flux d'air de refroidissement) et comparé aux résultats d'analyse linéaire, à des calculs issus de la littérature et à des données expérimentales. Une configuration multi-étagée est enfin simulée, pour laquelle un couplage à flux de chaleurs conjugués est réalisé afin de rendre compte des transferts radiatifs et exploiter au mieux les données d'essai. Les résultats soulignent de très bonnes estimations des profils de température, indiquant une bonne modélisation des phénomènes complexes contribuant aux échanges thermiques.
Mots clés : LBM,Lattice-Boltzmann,turbomachines,cavités tournantes
Jury
Directeur de these M. Pierre SAGAUT Aix Marseille Université
Rapporteur M. Florian DE VUYST Université de Technologie de Compiègne
Rapporteur M. Tony ARTS Von Karman Institute for Fluid Dynamics
Examinateur Mme Françoise BATAILLE Université de Perpignan
Examinateur M. Nicolas GOURDAIN ISAE-Supaero
Mardi 2 Décembre 2019
- Synergie entre turbulence et écoulements en configuration divertor – introduction d’éléments de la physique de la turbulence dans les codes de transport / Soutenance de thèse de Serafina BASCHETTI
Doctorant : Serafina BASCHETTI
Date de la soutenance : Jeudi 2 Décembre 2019, Salle René Gravier CEA IRFM Saint Paul Lez Durance 13108
Résumé de la thèse :
L’opération du réacteur à fusion de prochaine génération, ITER, nécessitera le développement d'outils numériques fiables permettant d'estimer les paramètres clés de fonctionnement à un coût de calcul raisonnable. Les codes de transport répondent à cette exigence car ils reposent sur des équations fluides bidimensionnelles, moyennées sur les fluctuations temporelles, simulant les grandes échelles temporelles de la même manière que les modèles « Reynolds Averaged Navier-Stokes » couramment utilisés dans la communauté des fluides neutres. De plus, les codes de transport peuvent rassembler la plupart des ingrédients physiques régissant le comportement du plasma de bord (topologie magnétique, géométrie et réponse de la paroi...). Cependant, leur prévisibilité est limitée par une description inadéquate des flux turbulents perpendiculaires aux lignes de champ magnétique. En effet les flux perpendiculaires, supposés diffusifs, sont grossièrement déterminés par des coefficients de diffusion homogènes "adhoc" ou empiriques. Pour inclure de l’information sur la turbulence et améliorer la prédictibilité de ces modèles, nous présentons dans ce travail un nouveau modèle pour estimer de manière cohérente la distribution des flux perpendiculaires dans les codes de transport. La stratégie consiste à introduire en physique des plasmas des outils numériques efficaces largement utilisés dans la communauté de la turbulence en fluides neutres, en particulier le modèle "kepsilon" dans lequel sont introduites des équations de transport pour l'énergie turbulente cinétique moyenne « k » et le taux de dissipation de l’énergie turbulente « epsilon ». Ces équations semi-empiriques dérivées pour les fluides neutres ne peuvent pas être appliqués directement pour la modélisation des flux perpendiculaires dans les plasmas en raison de différentes propriétés de turbulence. Par conséquent, nous suggérons une adaptation du modèle k-epsilon pour les plasmas à confinement magnétique, où deux équations de transport pour l’énergie cinétique turbulente et son taux de dissipation sont dérivées algébriquement, incluant la physique de l’instabilité d’interchange, responsable de la distribution "ballonnée" du transport perpendiculaire dans le plasma de bord. Différentes approches empiriques sont décrites pour fermer les paramètres libres, notamment via l’utilisation de lois d’échelle multi-machines. Le nouveau modèle est intégré au code de transport SolEdge2D-EIRENE, développé en collaboration entre le CEA et le laboratoire M2P2 de l'Université d'Aix-Marseille. Les résultats numériques sont discutés et comparés aux données expérimentales sur WEST et TCV.
Jury
Monsieur Eric SERRE, Directeur de Recherche, Laboratoire M2P2/AMU, Marseille, France. Madame Martine BAELMANS, Professeur, Université Catholique de Leuven, Belgique. Monsieur Ulrich STROTH, Professeur, Max- Planck- Institut Fur Plasmaphysik, Allemagne. Monsieur David MOULTON, Docteur, UKAEA Culham, Royaume Uni. Monsieur Philippe GHENDRIH, Professeur, CEA Cadarache, France. Monsieur Hugo BUFFERANDDocteur, CEA Cadarache, France
