Études du couplage entre turbulence et gradient de température pour l'intensification des transferts de chaleur dans les récepteurs solaires à haute température

A promising line of research to increase the efficiency of solar tower power plants consists in heating pressurized air to high temperatures in order to fuel a Brayton thermodynamic cycle. This requires to design effective solar receivers that allow for intense heat transfers toward the fluid. To develop such receivers, an in-depth understanding of their internal flows is needed. These are complex flows, combining strong turbulence and strong temperature gradient between the concentrated sun irradiated wall and the back insulated wall.The aim of this work is to investigate numerically and experimentally such flows.On one hand, velocities are measured by SPIV (Stereoscopic Particle Image Velocimetry) in a turbulent channel flow wind tunnel whom measurement cell is similar to a surface solar receiver. The influence of an asymmetric heating on the turbulence statistics are especially investigated. These measurements are supplemented by Large Eddy Simulations run under the same conditions as the wind tunnel. Finally, a Large Eddy Simulation is run in a channel flow textured on one wall by an innovative geometry. This internal receiver design combines vortex generators and riblets in order to enhance the heat transfers.Une voie prometteuse pour améliorer le rendement des centrales solaires à tour consiste à chauffer de l'air pressurisé à haute température afin d'alimenter un cycle thermodynamique de Brayton. Pour cela, il est indispensable de concevoir des récepteurs solaires performants,permettant de forts transferts de chaleur vers le fluide. Le développement de tels récepteurs passe par une compréhension fine de leurs écoulements internes. Il s'agit d'écoulements complexes, combinant de hauts niveaux de turbulence et un fort gradient de température entre la paroi irradiée par le flux solaire concentré et la paroi arrière isolée. On se propose dans ce travail de réaliser une étude amont numérique et expérimentale de ce type d'écoulements.D'une part, des mesures de vitesse par SPIV (vélocimétrie par images de particules stéréoscopique) sont effectuées dans une soufflerie de canal plan turbulent lisse dont la cellule de mesure est représentative d'un récepteur solaire surfacique. On observe en particulier l'influence d'un chauffage asymétrique sur les statistiques de la turbulence. Ces mesures sont d'autre part complétées par des simulations fines LES (simulation des grandes échelles)menées dans les conditions de la soufflerie. Pour finir, une simulation LES d'un canal plan texturé sur une paroi par une géométrie innovante est conduite. Cette architecture interne du récepteur combine des générateurs de tourbillon et des riblets afin d'intensifier les échanges de chaleur vers le fluide

Study of the coupling between turbulence and temperature gradient for the heat transfers intensification in high temperature solar receivers

Une voie prometteuse pour améliorer le rendement des centrales solaires à tour consiste à chauffer de l'air pressurisé à haute température afin d'alimenter un cycle thermodynamique de Brayton. Pour cela, il est indispensable de concevoir des récepteurs solaires performants,permettant de forts transferts de chaleur vers le fluide. Le développement de tels récepteurs passe par une compréhension fine de leurs écoulements internes. Il s'agit d'écoulements complexes, combinant de hauts niveaux de turbulence et un fort gradient de température entre la paroi irradiée par le flux solaire concentré et la paroi arrière isolée. On se propose dans ce travail de réaliser une étude amont numérique et expérimentale de ce type d'écoulements.D'une part, des mesures de vitesse par SPIV (vélocimétrie par images de particules stéréoscopique) sont effectuées dans une soufflerie de canal plan turbulent lisse dont la cellule de mesure est représentative d'un récepteur solaire surfacique. On observe en particulier l'influence d'un chauffage asymétrique sur les statistiques de la turbulence. Ces mesures sont d'autre part complétées par des simulations fines LES (simulation des grandes échelles)menées dans les conditions de la soufflerie. Pour finir, une simulation LES d'un canal plan texturé sur une paroi par une géométrie innovante est conduite. Cette architecture interne du récepteur combine des générateurs de tourbillon et des riblets afin d'intensifier les échanges de chaleur vers le fluide.A promising line of research to increase the efficiency of solar tower power plants consists in heating pressurized air to high temperatures in order to fuel a Brayton thermodynamic cycle. This requires to design effective solar receivers that allow for intense heat transfers toward the fluid. To develop such receivers, an in-depth understanding of their internal flows is needed. These are complex flows, combining strong turbulence and strong temperature gradient between the concentrated sun irradiated wall and the back insulated wall.The aim of this work is to investigate numerically and experimentally such flows.On one hand, velocities are measured by SPIV (Stereoscopic Particle Image Velocimetry) in a turbulent channel flow wind tunnel whom measurement cell is similar to a surface solar receiver. The influence of an asymmetric heating on the turbulence statistics are especially investigated. These measurements are supplemented by Large Eddy Simulations run under the same conditions as the wind tunnel. Finally, a Large Eddy Simulation is run in a channel flow textured on one wall by an innovative geometry. This internal receiver design combines vortex generators and riblets in order to enhance the heat transfers

Numerical study of the cryogenic cooling of amplifiers for high power lasers

International audienceThe French collaborative Trio4CLF project aims to understand and control the cryogenic cooling of amplifiers for high power (~1 PetaWatt) and high repetition rate (1-10 Hertz) lasers. In such amplifiers, the fluid (low temperature gaseous helium) evacuates the thermal power absorbed by the solid amplifying plates. A precise knowledge of the heat exchange and of the turbulent fluid flow in the amplifier is requested to evaluate its impact on the laser beam quality. Large Eddy Simulations representative of the amplifier cooling are performed using TrioCFD, a code developed by the CEA. First, validation simulations are carried out for heated periodic channel flows, allowing comparisons with Direct Numerical Simulation results from the literature. They are conducted using conjugate heat transfer calculation between the fluid and the solid. The channel flow is turbulent, with a bulk Reynolds number (based and the bulk velocity and the total height of the channel) of about 14000. Large Eddy Simulation of a heated open turbulent cryogenic helium flow with developing thermal boundary layers is then presented

Effect of turbulence on the wavefront of an ultra high intensity laser beam

International audienceUltra high intensity lasers face thermal management issues that limit their repetition rates. The key challenge is to efficiently evacuate the heat deposited in the amplifier by the optical pumping without impacting the output laser beam quality. The amplifier can have a multi-slab geometry where the laser beam crosses successive amplifying slabs and the cooling channels that separate them. The present work investigates numerically how a cryogenic cooling of the multi-slab amplifier by turbulent channel flows may affect the wavefront of the laser beam. To this end, Large Eddy Simulations representative of the amplifier cooling are performed using TrioCFD, a code developed by the CEA. First, validation simulations are carried out for heated channel flows, allowing comparisons to Direct Numerical Simulation results from the literature. Then Large Eddy Simulations of an open turbulent channel flow cooling two slabs are conducted using conjugated heat transfer between the solid and the fluid. The phase distortions, mean and fluctuations, induced by the inhomoge-neous and turbulent temperature field are computed directly from the LES. The Sutton model is widely used in aero-optic studies ; its validity and applicability to this problem is then examined. Finally, the effect of an increased optical heating of the slabs is investigated. It is the first time that TrioCFD is used to address the question of the impact of the cooling of laser amplifiers, and it has proven to be a valuable tool for this application

Simulation des Grandes Échelles d'un écoulement d'air turbulent pour le refroidissement d'amplificateurs de lasers

International audienceThe French collaborative Trio4CLF project aims to understand and control the cryogenic cooling of amplifiers for high power (~1 PetaWatt) and high repetition rate (1-10 Hertz) lasers. In such amplifiers, the fluid evacuates the thermal power absorbed by the solid amplifying plates. A precise knowledge of the heat exchange and thus of the turbulent fluid flow in the amplifier is requested to evaluate its impact on the laser beam quality. As a first step, a Large Eddy Simulation is carried out in air without heating to study the development of the turbulent flow. The CFD code used is TrioCFD, a code developed by the CEA. For validation purpose, the simulation is carried out in the experimental setup configuration: a closed-loop wind tunnel called TRANSAT. Two horizontal plates, separated by 0.05 m, are put in the airflow to represent the amplifier plates. Turbulent boundary layers develop from the plates edges. Numerically, the entrance flow is a homogeneous planar flow with a constant velocity at 10 m/s. The results of this Large Eddy Simulation are presented in this paper as a study of the development of the turbulent boundary layers created by the plates.Le projet collaboratif français Trio4CLF a pour objectif de comprendre et de maitriser le refroidissement cryogénique d'amplificateurs de lasers à haute puissance (~1 PétaWatt) et à haut taux de répétition (1-10 Hertz). Dans de tels amplificateurs, le fluide évacue la puissance thermique déposée dans les plaques amplificatrices solides. Une connaissance fine de l'échange de chaleur et donc de l'écoulement turbulent est nécessaire pour évaluer l'impact du refroidissement sur la qualité du faisceau laser. Dans un premier temps, une Simulation des Grandes Échelles est conduite en air et sans chauffage afin d'étudier le développement de l'écoulement turbulent. Le code de CFD utilisé est TrioCFD, un code développé par le CEA. À des fins de validation, la simulation est menée dans la configuration de l'installation expérimentale : une soufflerie à boucle fermée appelée TRANSAT. Deux plaques séparées de 0,05 m sont placées horizontalement dans l'écoulement d'air de façon à représenter les plaques amplificatrices. Des couches limites turbulentes se développent à partir du bord d'attaque des plaques. Numériquement, l'écoulement d'entrée est un écoulement homogène plan de vitesse constante 10 m/s. Les résultats de cette Simulation des Grandes Échelles sont présentés ici sous la forme de l'étude du développement des couches limites turbulentes créées par les plaques

Impacts of weed management on ladybird (Coleoptera: Coccinellidae) abundance and diversity on resident vegetation in a citrus orchard

Citrus fruits are markedly affected by aphids on the island of Réunion (France). These pests are generally controlled with pesticides, which have adverse effects on human and environmental health. Furthermore, resident vegetation in orchards is often eliminated with herbicides due to suspected competition with citrus trees for resources. Yet this resident vegetation could serve as a habitat for natural enemies of crop pests, particularly ladybirds (Coleoptera: Coccinellidae), which are well-known aphid predators, thus reducing the need for pesticide treatments. Results of a 2-year study conducted in an experimental citrus orchard, on the impacts of four different weed management treatments on ladybird populations, viz: i) M: hedge-trimmer mowing; ii) T: disk harrow tilling; iii) HM: hammer mill crushing/mulching; iv) H: herbicide spraying are presented. Ladybirds were captured over a 5 week period each year using Malaise-derived flight interception traps. A total of 690 ladybird specimens, belonging to 12 species distributed across four subfamilies, were captured. These were mainly aphidophagous, with Scymnus constrictus Mulsant being largely dominant. There was a significant effect of distance to a field border with diversified vegetation on ladybird abundance and diversity. Ladybirds were also significantly more abundant on tall vegetation cover than on short cover. Although proportionately fewer ladybirds were trapped in the ‘H’ treatment than in the other three, there were no clearcut effects of weed management treatments on ladybird abundance. This study nevertheless confirmed the efficacy of interception traps for assessment of ladybird population abundance and diversity. It also demonstrated the potential of these natural enemies as bioindicators of habitat disturbance

Glyphosate-based herbicide exposure: effects on gill microbiota of rainbow trout ( Oncorhynchus mykiss ) and the aquatic bacterial ecosystem

International audienceThe herbicide glyphosate has been widely used in the past 40 years, under the assumption that side effects were minimal. In recent years, its impact on microbial compositions and potential indirect effects on plant, animal and human health have been strongly suspected. Glyphosate and co-formulates have been detected in various water sources, but our understanding of their potential effects on aquatic animals is still in its infancy compared with mammals. In this study, we investigated the effect of chronic exposure to an environmentally relevant concentration of glyphosate on bacterial communities of rainbow trout (Oncorhynchus mykiss). Gills, gut contents and gut epithelia were then analyzed by metabarcoding targeting the 16S rRNA gene. Our results revealed that rainbow trout has its own bacterial communities that differ from their surrounding habitats and possess microbiomes specific to these three compartments. The glyphosate-based herbicide treatment significantly affected the gill microbiome, with a decrease in diversity. Glyphosate treatments disrupted microbial taxonomic composition and some bacteria seem to be sensitive to this environmental pollutant. Lastly, co-occurrence networks showed that microbial interactions in gills tended to decrease with chemical exposure. These results demonstrate that glyphosate could affect microbiota associated with aquaculture fish

Potential of Marine Strains of Pseudoalteromonas to Improve Resistance of Juvenile Sea Bass to Pathogens and Limit Biofilm Development

International audienceThe European sea bass (Dicentrarchus labrax), one of the most produced marine fish species in Europe, is acutely vulnerable to multiple infectious hazards. In this study, we investigated the potential probiotic effect of some marine Pseudoalteromonas bacterial strains against two major pathogens of this species, Vibrio harveyi and the nervous necrosis virus (NNV), and examined their antibiofilm effect. Impregnation phase was done by repeated immersion of juvenile’s sea bass during 8 to 12 weeks in seawater containing the probiotic candidates at a concentration of 106 CFU/mL. Four candidates were tested: (1) a combination of two strains producing antimicrobial compounds, hCg-42 and hOe-125; (2) strain 3J6, with known antibiofilm properties; (3) strain RA15, from the same genus, but with no identified probiotic effect; and (4) a control group without probiotics. At the end of the impregnation phase, fish underwent an infection challenge with V. harveyi or with a pathogenic strain of NNV and mortality was monitored. For the V. harveyi challenge, improved survival rates of 10 and 25% were obtained for the RA15 and the mix hCg-42 + hOe-125-impregnated groups, respectively. For the NNV challenge, no significant benefic effect of the probiotics on infection kinetics or cumulative mortality was observed. At the end of the impregnation phase, the maximal thickness of biofilm was significantly lower in the 3J6, double strain, and RA15 groups, compared with the non-impregnated control group. This study highlights the interesting probiotic potential of marine bacteria to limit mortalities induced by bacterial pathogens as well as biofilm development

Impacts des produits phytopharmaceutiques sur la biodiversité et les services écosystémiques. Synthèse de l’expertise scientifique collective

Chaque année, entre 55 000 et 70 000 tonnes de substances actives phytopharmaceutiques, incluant celles utilisables en agriculture biologique et de biocontrôle, sont vendues sur le territoire français métropolitain et d’outre-mer et sont utilisées pour la protection des cultures ou l’entretien des jardins, espaces végétalisés et infrastructures (JEVI). Dans le même temps, le rapport sur l’évaluation mondiale de la biodiversité et des services écosystémiques établi en 2019 par la Plateforme intergouvernementale scientifique et politique sur la biodiversité et les services écosystémiques (IPBES) dresse le bilan alarmant d’une érosion sans précédent de la biodiversité. La pollution chimique générée par les activités humaines, incluant les produits phytopharmaceutiques (PPP), est identifiée parmi les causes de cette érosion. Cette pollution s’ajoute à d’autres pressions, comme les destructions d’habitats causées par l’urbanisation, l’intensification des pratiques agricoles et sylvicoles, et les conséquences du changement climatique. Face à ce constat, la réglementation européenne en matière de mise sur le marché des PPP vise un degré élevé de protection, avec en particulier pour principe d’éviter tout effet inacceptable sur l’environnement. Toutefois, elle ne parvient pas complètement à atteindre cet objectif, en raison notamment d’une prise en compte insuffisante de la diversité des interactions telles qu’elles se produisent dans l’environnement (entre substances, entre organismes, avec une variété de facteurs physico-chimiques, etc.).C’est dans ce contexte que les ministres chargés de l’Environnement, de l’Agriculture et de la Recherche ont sollicité INRAE et l’Ifremer pour réaliser un état des lieux des connaissances scientifiques relatives aux impacts des PPP sur la biodiversité et les services écosystémiques. La précédente expertise scientifique collective (ESCo) portant sur Pesticides, agriculture et environnement avait été réalisée en 2005. Leprésent exercice consiste à en actualiser les résultats, en les élargissant à l’ensemble du continuum terre-mer et en incluant les usages de PPP relevant des zones non agricoles (JEVI). A la différence de celle de 2005, cette ESCo est positionnée en aval de l’utilisation des PPP, pour traiter du devenir et des impacts de ces substances une fois introduites dans l’environnement. Elle ne traite pas des pratiques ou systèmes agricoles permettant de réduire les utilisations de PPP, ni des stratégies préventives de régulation des bioagresseurs. Ces thématiques font l’objet d’autres travaux en cours, notamment une autre ESCo conduite par INRAE sur la gestion des couverts végétaux pour la régulation naturelle des bioagresseurs dont les résultats sont attendus à l’automne 2022. Ces deux exercices s’inscrivent dans le cadre du Plan Ecophyto II+, en complément de l’expertise Pesticides et santé humaine publiée par l’Inserm en 2021.Le périmètre de la présente ESCo couvre les différents milieux (terrestre, atmosphérique, aquatiques continental et marin, à l’exception des eaux souterraines) dans leur continuité, du lieu d’application jusqu’à l’océan, en France métropolitaine et d’outre-mer, à partir de connaissances produites ou transposables dans ce type de contexte (climat, PPP utilisés, biodiversité présente, etc.). Il intègre tous les produits destinés à la protection des cultures ou à l’entretien des JEVI, qu’il s’agisse de PPP conventionnels ou de produits ou agents de biocontrôle, dès lors qu’ils sont susceptibles de se retrouver dans l’environnement du fait d’une utilisation actuelle ou plus ancienne. Le cadre d’analyse mis en place considère la biodiversité dans ses dimensions structurelle et fonctionnelle, et il intègre la question des services écosystémiques. L’attention est ainsi plus particulièrement portée sur des travaux qui documentent la mise en évidence des risques et des effets dans des conditions environnementales réalistes, et à des niveaux d’organisation biologique (ex. individu, population, communauté, écosystème) susceptibles de faciliter le lien à établir avec la biodiversité ainsi qu’avec les fonctions et services écosystémiques.Impacts des produits phytopharmaceutiques sur la biodiversité et les services écosystémiques Synthèse de l'expertise scientifique collective-Mai 2022 Direction de l'expertise scientifique collective, de la prospective et des études (DEPE

The impacts of plant protection products on biodiversity and ecosystem services

Chaque année, entre 55000 et 70000 tonnes de substances actives phytopharmaceutiques, incluant celles utilisables en agriculture biologique et de biocontrôle, sontvendues sur le territoire français métropolitain et d’outre-meret sont utilisées pour la protection des cultures ou l’entretien des jardins, espaces végétalisés et infrastructures (JEVI). Dans le même temps, le rapport sur l’évaluation mondiale de la biodiversité et des services écosystémiques établi en 2019 par la Plateforme intergouvernementale scientifique et politique sur la biodiversité et les services écosystémiques(IPBES) dresse le bilan alarmant d’une érosion sans précédent de la biodiversité. La pollution chimique générée par les activités humaines, incluant les produits phytopharmaceutiques (PPP), est identifiée parmi les causes de cette érosion. Cette pollution s’ajoute à d’autres pressions, comme les destructions d’habitats causées par l’urbanisation, l’intensification des pratiques agricoles et sylvicoles, et les conséquences duchangement climatique. Face à ce constat, la réglementation européenne en matière de mise sur le marché des PPP vise un degré élevé de protection, avec en particulier pour principe d’éviter tout effet inacceptable sur l’environnement. Toutefois, elle ne parvient pas complètement à atteindre cet objectif, en raison notamment d’une prise en compte insuffisante dela diversité des interactions telles qu’elles se produisent dans l’environnement (entre substances, entre organismes, avec une variété de facteurs physico-chimiques, etc.). C’est dans ce contexte que les ministres chargés de l’Environnement, de l’Agriculture et de la Recherche ont sollicité INRAE et l’Ifremer pour réaliser un état des lieux des connaissances scientifiques relatives aux impacts des PPP sur la biodiversité et les services écosystémiques. La précédente expertise scientifique collective (ESCo) portant sur Pesticides, agriculture et environnement avait été réalisée en 2005. Le présent exercice consiste à en actualiser les résultats, en les élargissant à l’ensemble du continuum terre-mer et en incluant les usages de PPP relevant des zones non agricoles (JEVI). A la différence de celle de 2005, cette ESCo est positionnée en aval de l’utilisation des PPP, pour traiter du devenir et des impacts de ces substances une fois introduites dans l’environnement. Elle ne traite pas des pratiques ou systèmes agricoles permettant de réduire les utilisations de PPP, ni des stratégies préventives de régulation des bioagresseurs. Ces thématiques font l’objet d’autres travaux en cours, notamment une autre ESCo conduite par INRAE sur la gestion des couverts végétaux pour la régulation naturelle des bioagresseurs dont les résultats sont attendus à l’automne 2022. Ces deux exercices s’inscrivent dans le cadre du Plan Ecophyto II+, en complément de l’expertise Pesticides et santé humaine publiée par l’Inserm en 2021. Le périmètre de la présente ESCo couvre les différents milieux (terrestre, atmosphérique, aquatiques continental et marin, à l’exception des eaux souterraines) dans leur continuité, du lieu d’application jusqu’à l’océan, en France métropolitaine et d’outre-mer, à partir de connaissances produites ou transposables dans ce type de contexte (climat, PPP utilisés, biodiversité présente, etc.). Il intègre tous lesproduits destinés à la protection des cultures ou à l’entretiendes JEVI, qu’il s’agisse de PPP conventionnels ou de produits ou agents de biocontrôle, dès lors qu’ils sont susceptibles de se retrouver dans l’environnement du fait d’une utilisation actuelle ou plus ancienne. Le cadre d’analyse mis en place considère la biodiversité dans ses dimensions structurelle etfonctionnelle, et il intègre la question des services écosystémiques. L’attention est ainsi plus particulièrement portée sur des travaux qui documentent la mise en évidence desrisques et des effets dans des conditions environnementales réalistes, et à des niveaux d’organisation biologique (ex. individu, population, communauté, écosystème) susceptibles de faciliter le lien à établir avec la biodiversité ainsi qu’avec les fonctions et services écosystémiques. (https://www.inrae.fr/sites/default/files/pdf/ExpertiseCollectivePestiEcotox_R%C3%A9sum%C3%A9.pdf