Reactive Media

Keywords: combustion instabilities, hydrogen, energy, reactive flow, heat transfer, thermodynamics, fluidized bed, ionic wind, thermal, spray …

The theme of Transfers and Reactions includes activities relating to the study and modeling of transfers (mass and energy) and reactive flows in single-phase, heterogeneous and / or multiphase environments. It revolves around three main poles which are: combustion, reactions in heterogeneous media and reactive biological media. Many related subjects are also covered such as the dynamics of sprays and particulate flows, flows under supercritical thermodynamic conditions or even cold plasmas.
 

Banc expérimental INTECOCIS pour l’étude des instabilités de combustion. a) configuration ; b) vue directe de la flamme.

Methodology

Cette phénoménologie riche est étudiée sur tous les plans : expérimentation, modélisation et simulation numérique, avec pour principal objectif la compréhension des mécanismes physiques. L’originalité des activités menées à l’IMFT est double : (1) diversité des milieux réactifs : gaz, fluides supercritiques, plasma ; milieux poly-phasiques, poreux ou vivants ; réactions homogènes, hétérogènes, etc. (2) variété des méthodologies : les approches expérimentales et le calcul haute performance sont le cœur de compétence avec une volonté de réaliser des projets utilisant ces deux méthodes simultanément.

Concernant la partie expérimentale, les personnels de l’IMFT sont à l’origine de la conception et de la mise en œuvre de nombreuses installations parmi lesquelles on peut citer : bancs acoustiques, atomisation de film et spray effervescent, colonne biomasse, bancs de combustion laminaire et turbulente, cellule de combustion poreuse, banc de mesure de vent ionique, etc.

Les codes de calcul actuellement utilisés, sont principalement des outils de type recherche académique et/ou industrielle, librement distribués ou utilisés gratuitement avec accord des développeurs. On peut citer : OpenFOAM, AVBP, NEPTUNE_CFD, YALES2, THETIS, Cantera, FreeFM++, GASPART. Des outils « maison » tels que des codes de traitement d’images interfacés avec des librairies libres sont également disponibles et développés.

Les approches utilisées marient la volonté de compréhension des mécanismes fondamentaux et de modéliser la hiérarchie des échelles constituant les systèmes réactifs complexes. Les méthodes pour y parvenir sont diverses, et souvent spécifiques à l’application et/ou au système d’intérêt. Elles peuvent mettre en œuvre l’imagerie (optique, tomographie X, SPIM, etc..), la spectroscopie, la granulométrie, la PIV, la PTV, la spectroscopie Raman.

Thématiques Scientifiques

Simulation de moteurs de fusée :

Dans le contexte des travaux sur les instabilités de combustion, le calcul haute performance a été utilisé pour comprendre les mécanismes menant à ces instabilités dans les moteurs de fusée à ergols cryotechniques liquides. Une première mondiale a été réalisée en effectuant le calcul d’un moteur de taille réduite installé au DLR en Allemagne avec 42 injecteurs H2/O2, grâce aux moyens de calcul fournis par le programme européen PRACE. Une LES du moteur complet depuis le dôme d’injection jusqu’à la tuyère d’éjection a été effectuée (Urbano et al. 2016, 2017), ce qui n’a pas encore été répété à ce jour par aucun autre groupe de recherche. Ces simulations ont permis d’analyser les couplages qui mènent à des modes instables transverses, observés expérimentalement dans ce moteur.

Combustion de l’hydrogène :

La nécessité de réduire les émissions de gaz à effet de serre impose une diminution rapide et importante de la consommation de carburants d’origine fossile. Ce projet a pour ambition d’étudier le remplacement partiel ou total de ces carburants par de l’hydrogène. En effet, l’hydrogène synthétisé à partir de sources renouvelables est un vecteur énergétique qui a un fort potentiel de développement. Si l’utilisation principale envisagée aujourd’hui est dans des piles à combustible pour produire de l’électricité, la combustion de l’hydrogène a un intérêt dans de nombreuses applications. La Figure ci-dessous illustre l’influence de l’augmentation progressive du pourcentage de H2 dans un brûleur de chaudière domestique.

  • lits fluidisés et smoldering :

Le groupe MiR mène des recherches sur la simulation numérique de la combustion en boucle chimique (Chemical Looping). Cette technologie fait partie des procédés proposés pour répondre aux défis de la transition énergétique en matière de réduction de gaz à effet de serre. Elle est considérée comme une technologie efficace pour la production d’énergie thermique (génération de vapeur), permettant le captage du CO2 sans l’ajout de coûts supplémentaires nécessaires à la séparation des gaz de combustion. Dans le cadre de ce projet, une modélisation mathématique et numérique du procédé a été développée (utilisant de la pérovskite comme transporteurs d’oxygène et du méthane comme combustible), que nous avons testé à l’échelle d’un pilote de 120 kW (de l’Université de Vienne) et ensuite utilisé à l’échelle d’un prototype industriel (de ~700 MW).

  • Biological reactive heterogeneous media

Reactive mecanisms  play a preeminent role in biology from cellular scale to tissue one. We develop various strategies to analyze  and understand better reactive effects in biology. In this domain, the analysis of multi-scale graphs (vascular graphs, reactional graphs) are  important tools to foresee the complexity and dynamics of biological systems. We characterize these heterogeneous media by using various imaging modalities (two-photon microscopy, light-sheet microscopy (LSFM), X-ray tomography) in order to analyze both micro-structure and emergent meso-scale organization related to  metabolic differentiation, which later-on can be confirmed at cellular scale from dedicated molecular analysis. We develop image/model coupling in order to analyze flows and transfers inside these heterogeneous reactive medium. These modeling are performed in collaboration with various partners (Restore, Cerco, LISBP).

Illustrations of various imaging methods used in reactive heterogeneous media. (a,b,c) in adipose tissue  (a) cleared tissue where a small region (red square) is imaged in 2D in (b) with a multi-view LSFM (c) sketch of LSFM imaging principle (d,e) X-ray Tomography of an organic reactive sample  (d) slice (e) 3D sample reconstruction (f) PIV measurement of a fresh ram semen confined dynamics.

Illustration of vascular graph analysis from a mousse  adipose tissue (a) Vessels segmentations (b) Fluorescence  imaging (c) Result of a clustering illustrated into the  vascular graph  for comparison with (b) (d) illustration of clustering method in a simple graph (e-f)  Examples of  graph  clusters obtained from  (d) (g-h) Clusters coupling map of vascular graph with various methods illustrating the identification of a privileged central reactional region within the tissue.

 

Publications

  1. Kennel, C. Fonta, R. Guibert & F. Plouraboué, Analysis of vascular homogeneity and anisotropyHuman Brain Mapping38, 11, 5756-5777, 2017.
  2. Dichamp, F. De Gournay & F. Plouraboué, Theoretical and numerical analysis of counter-flow parallel convective exchangers considering axial diffusionInt. J. Heat Mass Trans.107, 154—167, 2017.
  3. Barreau, C. Guissard, E. Labit, J. Rouquette, M. L. Boizeau, S. Gani Koumassi, A. Carrière, Y. Jeanson, F. Plouraboué, L. Casteilla & A. Lorsignol, Regionalization of browning revealed by whole inguinal adipose tissue imagingObesity24, 5, 1081-1089, 2016.
  4. Kennel, L. Teyssedre, J. Colombelli, F. Plouraboué, Toward quantitative 3D micro-vascular networks segmentation with multi-view Light-Sheet Fluorescence MicroscopyJ. Biomed. Opt.23, 8, 086002, 2018.
  5. Dichamp, C. Barreau, C. Guissard, A. Carriere, Y. Martinez, X. Descombes, L. Pénicaud, J. Rouquette, L. Casteilla, F. Plouraboué, & A. Lorsignol, 3D analysis of the whole subcutaneous adipose tissue reveals a complex spatial network of interconnected lobules with heterogeneous browning abilityScientific Reports9, 6684, 2019.
  6. Dichamp, F. De Gournay & F. Plouraboué, Thermal significance and optimal transfer in vessels bundles is influenced by vascular densityInt. J. Heat Mass Trans.138, 1-10, 2019.
  7. Kennel, J. Dichamp, C. Barreau, C. Guissard, L. Teyssedre, J. Rouquette, J. Colombelli, A. Lorsignol, L. Casteilla & F. Plouraboué, From whole-organ imaging to in-silico blood flow modeling : a new multi-scale network analysis for revisiting tissue functional anatomyPLOS Comp. Biol.16, (2), 1007322, 2020. .
  8. Franc, R. Guibert, P. Horgues, G. Debenest, F. Plouraboué, Image-based Effective Medium Approximation for fast permeability evaluation of porous media core samplesComputational Geosciences55, 1, 105-117, 2021.

Cold plasma are of interest for many applications related to reactive flows for improving/optimizing ignition in combustion chamber, in propulsion for boundary layer control  by ionic wind, as well to drive interfacial reactions at chemically active interfaces. In the group we address cold-plasma analysis and use to pursue their interest in combustion chambers and for ionic wind propulsion (projects LIFTER, IOWIND Collab ISAE, ANR PROPUL-ION Collab PPRIME-ISAE).

When a corona discharge is created in atmospheric conditions, charges are created by the accelerated electrons inside the cold plasma into which a strong electric field arises, at the very proximity of the emitters (generally a very small wire into which a very high tension is applied). These created charges are electro-convected by the local electric field, and, from collision with neutral air molecules, produce a wind called “ionic wind”. This wind can then produce some propulsive force. The resulting Electro-Aero-Dynamics (EAD) propulsive force is able to sustain the stationary flights of gliders such as Solar-Impulse 2 (Monrolin et al. 2017) and might be as efficient as thermal engines within a strong adverse flow (Plouraboué, 2018). We have analyzed the corona discharge ignition showing a Kapsov electric field at its boundary (Monrolin et al. Phys plasm. 2018). We perform PIV measurements permitting to reconstruct the ionic wind as well the Coulomb propulsive force (Monrolin et al., Phys Rev. Fluid, 2018). We also found that numerical prediction taking into account the drift region only in various emitter/collectors configurations are interesting to predict the propulsive capabilities (Coseru et al., 2021). Research are currently pursued to demonstrate and better understand the physics EAD propulsion.

Publications

  1. Monrolin, O. Praud, F. Plouraboué, Electrohydrodynamic thrust for in-atmosphere propulsionAIAA55, 12, 4296-4305, 2017.
  2. Monrolin, O. Praud, F. Plouraboué, Revisiting the positive DC corona discharge theory : beyond Peek’s and Townsend’s law25, 063503, Phys. Plasmas, 2018.
  3. Monrolin, O. Praud, F. Plouraboué, Electrohydrodynamic ionic wind, force field and ionic mobility in a positive DC wire-to-cylinders corona discharge in airPhys. Rev. Fluid.3, 063701, 2018.
  4. Plouraboué, Flying with ionic wind563, 476-477, Nature, 2018.

Coseru, S., D. Fabre, and F. Plouraboué, Numerical study of ElectroAeroDynamic force and current resulting from ionic wind in emitter/collector systems”, J. Applied Phys D., (2021).

Atomisation d’un film liquide :

Un moyen d’accroître l’efficacité de la combustion et de réduire la pollution dans les domaines du transport et de l’énergie consiste à concevoir des injecteurs de carburant garantissant une atomisation optimale sur une large gamme de fonctionnement. Dans ce travail, des expériences ont été menées sur un atomiseur à « pré-film » assisté par air, configuration souvent utilisée dans les turbines à gaz. Pour ce faire, un injecteur modèle a été conçu et construit à l’IMFT afin d’étudier simultanément la zone de pré-film et l’atomisation primaire de la nappe liquide formée. La technique d’imagerie rapide a été mise en place afin de caractériser, d’une part la déstabilisation du film liquide mince (développement et fréquences des ondes), et d’autre part, la formation initiale du spray (battement de la nappe et régime d’atomisation primaire).

Theses and internships offered by the group

Group members

NomStatutGroupePage personnelleBatiment
Abou Hammoud MohamadDoctorantMIRNougaro
Aniello AndréaDoctorantMIRNougaro
Bayle AlexandreDoctorantMIRNougaro
Bazile RudyChercheur Toulouse INPMIRNougaro
Bedat BenoîtChercheur UT3 MIRNougaro
Debenest GeraldChercheur Toulouse INPMIRNougaro
El Azzaoui TaoufikDoctorantMIR
Girault IvanDoctorantMIR
Jaberi AminPost-DoctorantMIRNougaro
Latour GillienDoctorantMIR
Lopez PabloDoctorantMIRNougaro
Magnes HervéDoctorantMIR
Marion CorentinDoctorantMIR
Marragou SylvainDoctorantMIRNougaro
Masi-Boscolo Enricachercheur UT3 – Maitre de Conférence MIRNougaro
Massa MarianoDoctorantMIRNougaro
Masset Pierre AlexandreDoctorantMIRNougaro
Moriniere TitouanDoctorantMIRNougaro
Muller FrançoisDoctorantMIRNougaro
Nigmetova AinurDoctoranteMIRNougaro
Perez Arroyo CarlosPost-DoctorantMIRNougaro
Plouraboue FranckChercheur CNRS – Directeur de RechercheMIRNougaro
Poinsot ThierryChercheur CNRS – – Directeur de RechercheMIRNougaro
Ruming PanDoctorantMIRNougaro
Schuller ThierryChercheur UT3 – Professeur des UniversitésMIRNougaro
Schuster DominikDoctorantMIRNougaro
Selle LaurentChercheur CNRS – Responsable de groupeMIRNougaro
Simonin Olivierchercheur Toulouse INP – Professeur des UniversitésMIRNougaro
Zekad MohamedDoctorantMIRNougaro

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