• 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).

• Milieux hétérogènes biologiques réactifs

  Les mécanismes réactifs jouent un rôle particulièrement important dans le domaine de la biologie depuis l’échelle cellulaire jusqu’aux  échelles tissulaires. Nous développons différentes stratégies d’analyse ayant pour but une meilleure caractérisation et une meilleure compréhension des effets réactionnels en biologie. Dans ce domaine, la mise en évidence et l’analyse  des réseaux/graphes (vasculaires, réactionnels) multi-échelles est une composante importante pour appréhender la complexité et la dynamique des systèmes biologiques.

  Cette thématique poursuit le but de caractériser des milieux hétérogènes par différents type d’imagerie (microscopie à deux photons, microscopie à feuille de lumière, tomographie RX) afin de renseigner d’une part la micro-structure, mais aussi de déduire, à partir des macro-structures observées, des informations structuelles liés aux aspects réactionnels qui peuvent ensuite être testée in-situ par des analyses moléculaires plus poussées à l’échelle des cellules. Nous développons aussi  des modélisations à partir des images (couplage images/modèles)  pour analyser les écoulements et les transferts dans les tissus. Ces travaux sont effectués en collaboration avec différents partenaires (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.

Les plasma froids sont utilisés dans de nombreuses applications associées aux écoulements réactifs, pour améliorer/optimiser l’allumage dans les chambres de combustions, pour le contrôle de couches limites à des fin d’amélioration propulsives, pour activer des processus réactionnels aux interfaces actives.  Dans le groupe nous nous intéressons à l’utilisation et la compréhension de l’effets de  plasma froids dans les chambres à combustion  et pour la propulsion par vent ionique (projets LIFTER, IOWIND, ANR PROPUL-ION).

En présence  d’une décharge couronne dans l’atmosphère,  à pression atmosphérique, des charges sont crées par collision avec les électrons au sein d’un plasma froid  dans lequel règne un fort champ électrique  au voisinage de l’émetteur. Les charges produites quittant la zone de décharge couronne peuvent, lorsqu’elles sont électro-convectées, produire, par collision avec les molécules neutres de l’air, un écoulement d’air appelé ‘vent ionique’. Cet écoulement peut, à son tour,  produire une force de propulsion. La force de propulsion résultante de cet effet Electro-Aero-Dynamique (EAD)  est capable de maintenir en vol stationnaire des planeurs comme Solar Impulse 2 (Monrolin et al. 2017) et pourrait être compétitive, en terme de rendement propulsif, comparé aux moteurs thermiques classiques (Plouraboué, 2018). Nous avons analysé les conditions d’allumage du champs de Kapzov par une décharge couronne (Monrolin et al. Phys plasm. 2018). Nous avons analysé (par mesures PIV) le vent ionique et la force propulsive de Coulomb (Monrolin et al., Phys Rev. Fluid, 2018). Nous avons aussi montré qu’une modélisation numérique de la zone de drift seule permet des prédictions intéressantes des performances propulsives d’un système d’émetteurs/collecteurs (Coseru et al., 2021). Des recherches sont en cours pour démontrer les performances propulsives et mieux comprendre la physique de cette propulsion EAD.

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).