Milieux Réactifs

Responsable : Laurent Selle

Mots-clés : instabilités de combustion, hydrogène, énergie, écoulement réactifs, transferts de chaleur, thermodynamique, lit fluidisé, vent ionique, thermique, spray…

la thématique des Transferts et Réactions regroupe les activités portant sur l’étude et la modélisation des transferts (masse et énergie) et des écoulements réactifs dans des milieux monophasiques, hétérogènes et/ou multiphasiques. Elle s’articule autour de trois pôles principaux qui sont : la combustion, les réactions en milieux hétérogènes et les milieux biologiques réactifs. De nombreux sujets connexes sont également traités tels que la dynamique des sprays et des écoulements particulaires, les écoulements en conditions thermodynamiques supercritiques ou encore les plasmas froids.


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

Méthodologie

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).

  • 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).

    Illustrations d’imagerie en milieux biologiques réactifs. (a,b,c) Dans les tissus adipeux (a) image d’un échantillon de tissu adipeux de souris au sein duquel (carré rouge) une zone est imagée en 3D en (b) avec microscopie à feuille de lumière multi-vue (c) vue de principe du dispositif de feuille de lumière. (d,e) Tomographie rayons X d’un échantillon de déchets organiques réactifs (d) vue d’une coupe (e) reconstruction 3D d’un échantillon (f) Reconstruction du champ de vitesse 2D obtenu par PIV de la dynamique d’un échantillon de sperme de bélier confiné entre deux plans.

    Illustrations d’analyse de graphes vasculaires à partir d’un tissu adipeux de souris (a) Segmentations des vaisseaux. (b) imagerie de fluorescence (c) résultat du clustering illustré sur le graphe vasculaire pour comparaison avec (b) (d) illustration de la méthode de clustering sur un graphe simple (e-f) exemple de graphes de cluster obtenus à partir de (d) (g-h) graphe des clusters du graphe vasculaire avec différentes méthodes montrant la présence d’une région réactionnelle privilégiée dans le tissu.

    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.

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

  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).

Thèses et stages proposés par le groupe

Membres du groupe

NomStatutGroupePage personnelleBatiment
Abou Hammoud MohamadDoctorantMIRNougaro
Aniello AndréaDoctorantMIRNougaro
Bayle AlexandreDoctorantMIRNougaro
Bazile RudyChercheur Toulouse INPMIRNougaro
Bedat BenoîtChercheur UT3 MIRNougaro
Debenest GeraldChercheur Toulouse INPMIRNougaro
El Azzaoui TaoufikDoctorantMIR
Guirault ivanDoctorantMIR
Latour GillienDoctorantMIR
Lopez PabloDoctorantMIRNougaro
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

Publications du groupe

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