• Projet ERC INTECOCIS
• Projet ERC SCIROCCO

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).

Publications

2017. Kennel, C. Fonta, R. Guibert & F. Plouraboué, Analysis of vascular homogeneity and anisotropy, Human Brain Mapping, 38, 11, 5756-5777, 2017.
2018. Dichamp, F. De Gournay & F. Plouraboué, Theoretical and numerical analysis of counter-flow parallel convective exchangers considering axial diffusion, Int. J. Heat Mass Trans., 107, 154—167, 2017.
2019. 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 imaging, Obesity, 24, 5, 1081-1089, 2016.
2020. Kennel, L. Teyssedre, J. Colombelli, F. Plouraboué, Toward quantitative 3D micro-vascular networks segmentation with multi-view Light-Sheet Fluorescence Microscopy, J. Biomed. Opt., 23, 8, 086002, 2018.
2021. 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 ability, Scientific Reports, 9, 6684, 2019.
2022. Dichamp, F. De Gournay & F. Plouraboué, Thermal significance and optimal transfer in vessels bundles is influenced by vascular density, Int. J. Heat Mass Trans., 138, 1-10, 2019.
2023. 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 anatomy, PLOS Comp. Biol., 16, (2), 1007322, 2020. .
2024. Franc, R. Guibert, P. Horgues, G. Debenest, F. Plouraboué, Image-based Effective Medium Approximation for fast permeability evaluation of porous media core samples, Computational Geosciences, 55, 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

2017. Monrolin, O. Praud, F. Plouraboué, Electrohydrodynamic thrust for in-atmosphere propulsion, AIAA, 55, 12, 4296-4305, 2017.
2018. Monrolin, O. Praud, F. Plouraboué, Revisiting the positive DC corona discharge theory : beyond Peek’s and Townsend’s law, 25, 063503, Phys. Plasmas, 2018.
2019. Monrolin, O. Praud, F. Plouraboué, Electrohydrodynamic ionic wind, force field and ionic mobility in a positive DC wire-to-cylinders corona discharge in air, Phys. Rev. Fluid., 3, 063701, 2018.
2020. Plouraboué, Flying with ionic wind, 563, 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).