Catégorie d\'emplois : Emplois FTC

Data-driven modelling and model predictive control of turbulent flow

Flow control consists of introducing controlled disturbances to improve the operating performance of a dynamical system. In fluid mechanics, we can seek to improve aerodynamic performance (reduction of drag or instabilities, for example) while minimizing the energy consumed to introduce the control. For reasons of energy efficiency and robustness, we would like to develop closed-loop control strategies, i.e. taking into account the state of the system to determine at each time instant the optimal forcing to introduce. Historically, much work has been carried out using model-based approaches, developed from first-principles equations (Navier Stokes equations, for example) or simplified dynamical models based on different reduced basis (POD, DMD, stability modes, etc.). However, these models are known of being fragile in terms of parametric modeling, and are therefore often poorly suited to flow control applications. The aim of this thesis is to develop simplified dynamical models of separated flows using data-driven modeling approaches, and to use these models to develop closed-loop control strategies.

Thèse: Étude expérimentale et numérique de jets débouchant dans un écoulement transverse à surface libre

Dans de nombreuses applications comme les confluences de rivière, les déversements de canal d’amenée ou des ouvrages plus spécifiques comme les passes à poissons, les jets débouchant dans un écoulement transverse sont des écoulements caractéristiques générant des structures tourbillonnaires et pénétrant plus ou moins l’écoulement principal (Figure 1).

Figure 1 : Mesure de vitesse d’un jet débouchant en aval d’une centrale hydroélectrique par LSPIV

Dans la littérature, beaucoup d’études ont été menées sur ces configurations académiques de jet débouchant dans un écoulement transverse, mais peu ont étudié l’influence de la présence d’une surface libre, pour différentes hauteurs de jet injecté, sur le développement du jet. Les effets 3D sont prépondérants dans ce type d’écoulement et l’influence de la surface libre ainsi que les rapports d’injection ne sont pas connus pour des écoulements à faible nombre de Froude. D’un point de vue plus opérationnel, les règles de dimensionnement dans les écoulements à surface libre, pour connaître leur pénétration et leur signature dans l’écoulement principal, restent très qualitatives ou basées sur l’expérience. Dans le cadre des activités du pôle éco hydraulique OFB/IMFT/Pprime, nous cherchons donc à définir ces critères de dimensionnement pour aider ensuite à la conception d’ouvrages efficaces pour l’attractivité des poissons lors de la montaison. Le sujet de thèse concerne la mécanique des fluides, l’hydraulique et les interactions entre un jet et un écoulement transverse pour des écoulements à surface libre. Le travail expérimental et numérique consistera à étudier un certain nombre de paramètres comme les rapports d’injection de quantité de mouvement, la hauteur ou l’angle du jet pour des conditions d’entrée très différentes rencontrées derrière un seuil, en sortie de turbine ou en canal turbulent. Les expériences seront réalisées sur la plateforme hydrodynamique environnementale de l’institut Pprime, principalement à partir de mesures optiques (PIV), et les simulations seront menées à partir du code de calcul StarCCM+ avec des approches instationnaires.

Le candidat devra avoir des compétences en mécanique des fluides et hydraulique des écoulements à surface libre ainsi que des connaissances en mesure et/ou simulation numérique.

Mots Clés : mécanique des fluides, hydraulique, cross-flow, expérimentation, simulation numérique

Pour tout renseignement complémentaire, n’hésitez pas à prendre contact avant fin avril 2024.
La thèse débutera à l’automne 2024.

Développement de mesures pour la distribution des charges électriques aux interfaces solide/liquide sous champ électrique direct

Le projet de thèse s’appuie sur ces précédents travaux et a pour objectif d’appliquer la métrologie à l’étude des problèmes électrolytiques. Pour ce faire, il sera nécessaire, dans un premier temps, d’ajuster les bancs de PEA et de PWP en fonction de cette nouvelle problématique. Cela impliquera notamment le développement de cellules composées d’un trinôme anode/électrolyte liquide/cathode (par exemple), représentatif des matériaux utilisés dans les batteries. Le choix des matériaux d’électrodes et d’électrolytes sera fait après discussion avec le partenaire IC2MP. Il sera essentiel de reconfigurer les bancs pour appliquer une tension continue (DC) afin d’étudier les transferts de charges électriques et leur organisation au sein de ces batteries modèles lors des phases de charge et de décharge temporelles. Dans une deuxième étape, il sera nécessaire de développer des outils de déconvolution mathématique pour extraire la distribution des charges électriques à partir des signaux de mesure. Enfin, il faudra approfondir l’interprétation de la physicochimie du transfert de charges aux interfaces, étudier la dynamique du transfert de charges, analyser et comprendre le vieillissement des mécanismes au fil des cycles de fonctionnement, examiner l’influence de la nature chimique des électrodes et des électrolytes, évaluer l’impact de l’état de surface et de la géométrie des électrodes, et apprécier l’influence de la nature du champ électrique.

Simulations numériques directes d’ondes internes en milieu stratifié

Ce projet s’inscrit dans un contexte d’études sur les ondes de gravité en milieu stratifié, telles qu’on peut les rencontrer dans l’atmosphère et les océans. Dans ce type de milieu géophysique où la masse volumique du milieu dépend de la profondeur, des ondes de gravités internes peuvent apparaître au sein du fluide, loin de la surface libre. Ces ondes peuvent transporter de l’énergie sur de grandes distances, affectant ainsi les mouvements à grande échelle au sein de l’écoulement, ainsi que le transport de chaleur, des sédiments, des nutriments et des polluants dans les océans. Lorsque la stratification de masse volumique n’est pas uniforme, les ondes internes peuvent présenter des phénomènes ondulatoires similaires à des résonances. Des « escaliers thermohalins » se forment ainsi, constitués par des profils de densité périodiques spatialement.

Cette situation, qui peut notamment s’observer dans l’océan Artique, a été mise en évidence et caractérisée expérimentalement par [1,2,3,4]. Les expériences réalisées par [1] (voir la figure ci-dessous) montrent notamment qu’il existe, du fait de la stratification, des « bandes interdites » pour les ondes de gravités internes, c’est à dire des plages de fréquences sur lesquelles la propagation des ondes internes ne peut s’effectuer du fait la stratification périodique de densité du fluide. Ces résultats suggèrent que le transport d’énergie peut être profondément affecté par la présence de stratifications périodiques dans les fluides géophysiques.

Study of mass transfers between fractures and the matrix containing them

The subject of this thesis is the understanding, modelling and numerical simulation of the transport of solutes, whether passive or reactive, in porous, permeable, heterogeneous and/or fractured media. The most immediate field of application is geological media, often with environmental concerns (sensitivity to contaminants, pollution clean-up), but geothermal energy also falls into this category if the solute is heat. When numerical simulation is based on an Eulerian approach such as the finite difference method, numerical difficulties may arise in taking into account rapid transient diffusive exchanges between matrix and fracture. One solution is to use a Lagrangian approach such as the particle method. 

Saturated Open-pore Foams for Innovative Tribology in Turbomachinery (SOFITT)

The work to be done is to reinforce the work started by Alaa Eddine Ennazii, PhD student funded by the ANR SOFITT. It proposes on a larger scale the development of a mechanical behavior model to predict the macroscale response, in particular the deformations. The numerical simulations of hydraulic and mechanical behavior of porous media face a numerical challenge. The difficulty concerns the consideration of the geometric deformations. On a larger scale, an open-pore foam filled with an elastomer can be seen as a deformable porous medium saturated with fluid. Deformation of the porous medium is accompanied by fluid flow, which applies additional stresses to the solid matrix. This coupling between deformation of porous medium and flow, or poroelasticity, has given rise to a very large literature since the pioneering work of Terzaghi and Biot [Terzaghi, 1943; Biot, 1941; Wang, 2000; Coussy, 2003]. However, there are few experiments on model poroelastic systems that allow the fundamental hypotheses to be tested [Scherer, 1996; Hebraud et al., 2000; Dawson et al., 2008]. Moreover, these studies are mainly concerned with the small deformation regime and few have studied the dynamics of highly deformed poroelastic objects, as for the open-pore foam filled with an elastomer. The mechanical behavior model will be developped by using the software COMSOL which has the Porous Media Flow Module in which there are two poroelastic models: Small Strain Poroelasticity and Large Strain Poroelasticity. The starting point for building the model will be the tutorial called biot-poroelasticity-483 available on the website https://www.comsol.fr/model/. The two poroelastic models will be tested with the database on the compression of open-pore foams filled or not with an elastomer. 

Etude des échanges entre les fractures et la matrice les contenant

Travail à réaliser :

Le travail projeté ici comporte plusieurs volets.

a) Examen d’une situation canonique, où les échanges diffusifs entre fracture/matrice jouent un rôle important, se prêtant à un traitement entièrement analytique : fracture plane traversant une couche de matrice homogène. On pourra déterminer le temps d’établissement du régime asymptotique, formuler le modèle homogénéisé qui s’applique alors, et déterminer ses coefficients effectifs selon les paramètres du soluté, de la fracture et de la matrice. L’approche permettra aussi la description complète du transitoire pré–asymptotique, à partir d’une condition initiale arbitraire. On examinera aussi quelles généralisations sont possibles dans le cadre de l’approche analytique (notamment, matrice hétérogène, anisotrope, stratifiée, …).

b) Poursuite du travail par simulations numériques directes. Dans un premier temps, on pourra conserver la configuration de (a), qui permettra une confrontation avec les résultats analytiques. On pourra ensuite complexifier la configuration en introduisant divers types de désordre concernant la fracture ou les propriétés de la matrice. Le cas réaliste d’une fracture avec une ouverture variable sera particulièrement intéressant, puisque les changements de section provoquent des échanges convectifs de soluté entre la fracture et la matrice. Cet effet a un impact fort (mais différent de l’effet des échanges diffusifs dans le cas précédent) sur les propriétés de transport macroscopiques.

c) Finalement, un modèle réduit sera examiné, où la fracture n’est plus représentée que par une surface sans épaisseur assortie de propriétés effectives (voir Fig. 3). Ceci constitue la brique élémentaire des modèles DFN (Discrete Fracture Network) utilisés pour représenter un milieu fracturé à l’échelle globale. La confrontation avec (a) et (b) permettra de le valider, et d’identifier les aspects à soigner particulièrement dans les développements ultérieurs. Par exemple, on sait déjà que les échanges diffusifs transitoires rapides entre matrice et fracture présentent de grandes difficultés de prise en compte numériques quand la plage d’échelle spatiale augmente.