CURIOSITY

L’équipe CURIOSITY, créée au 1er Janvier 2021, est issue d’une recombinaison des effectifs de chercheurs en Mécanique des Fluides du département DFTC suite à des discussions autour du rôle de l’interdisciplinarité.

Sa stratégie de recherche est basée sur l’interdisciplinarité avec une mise en complémentarité d'expertises différentes permettant d’aboutir à une synergie dans les actions et un large spectre d'activités. L’équipe suit une démarche de recherche fondamentale qui permet un impact fort à travers la publication dans des journaux de premier plan dans lesquels les membres sont également des évaluateurs très actifs. Les problématiques sociétales majeures (énergie durable, environnement : milieux naturels et industriels, transport et mobilité, …) sont abordés via un positionnement académique complémentaire d’autres organismes de Recherche. L’équipe développe une volonté de rayonnement, aussi bien dans l’évaluation et l’animation de la Recherche, que dans la communication vers le grand public. L’équipe a une organisation horizontale pour favoriser les interactions entre les membres, tout en permettant à chacun de s’émanciper dans sa Recherche. Enfin, plusieurs membres de l’équipe sont fortement impliqués dans l’animation des GT SIMON (Simulation et Modélisation Numérique), MAAD (Métrologie, Analyse et Assimilation de Données) et PhydroMath (Pprime/Laboratoire de Mathématiques et Applications).

Pour illustrer l’aspect fortement interdisciplinaire de l’activité de Recherche de CURIOSITY, nous pouvons citer :

- - le programme de Recherche sur lequel a été recruté L. Agostini en Octobre 2020 en tant que Chargé de Recherche CNRS. Ce programme a pour but de comprendre, modéliser et contrôler les écoulements de proche paroi en régime turbulent avec ou sans effet de température. Ce projet repose sur un large spectre de connaissances couvrant la Turbulence de proche paroi, la thermique, les simulations numériques, les expériences, le contrôle des écoulements et les méthodes data driven.
  - l’activité de Recherche autour de la bataille navale d’Actium et du mythe de l’échénéis-remora (G. Rousseaux). Une équipe internationale et pluridisciplinaire a été mise en place afin d’expliquer une légende de l’antiquité. Cette équipe est constituée de Physiciens, Mécaniciens des Fluides, Mathématiciens Appliqués, Océanographes, Historiens Antique et Moderne, Linguiste. L’analyse des textes anciens et la confrontation à des expériences de laboratoire supportées par des mesures océanographiques et des modèles mathématiques de résistance de vague ont été mis en oeuvre pour expliquer le mythe du rémora-échénéis qui ralentit les bateaux.

Au-delà des thèmes scientifiques qui sont décrits dans les sections suivantes, les collaborations se développent dans l’équipe via des approches largement transversales comme les méthodes de Machine Learning, les techniques de métrologie et d’assimilation de données et enfin le calcul haute-fidélité.

Contrôle de structures oscillantes pour la récupération d’énergie

Titre Activité : Contrôle de structures oscillantes pour la récupération d’énergie

Permanents : F. Kerhervé, L. Cordier, A. Spohn

Doc. & Postdocs : A. Schmider

Collaborations : IMFT Toulouse, ICube Strasbourg

Flow-induced vibrations (FIV) over elastically mounted bluff-bodies can be observed in numerous applications such as the oscillation of power cables in the wind or offshore oil risers for example. Such mechanisms occur whenever a bluff body structure is immersed in a fluid stream. When vortex shedding frequency is close to the natural frequency of the bluff structure, large oscillations can occur and may result in potential damages. Such phenomena can, on the other hand, be considered for energy harvesting. Classsicaly, this fluid-interaction problem can be modelled as rigid damped oscillating body submitted to external forces as illustrated in Fig. 1.

In this work, a rigid circular cylinder elastically mounted on an air-bearing system to achieve very low-friction is immersed in a low-velocity water channel (see Fig. 2). During the experiments, the location and speed of the cylinder are measured. A generator (DC motor) is used to simulate damping and stiffness coefficients without being mechanically intrusive. Under low damping and low mass ratio, elastically mounted cylinders are known to provide large oscillations over a limited range of flow velocities and to exhibit three branches of free vibrations as illustrated in Fig. 1. Different vortex modes can be observed in the cylinder’s wake depending on the response branch. The device under investigation has demonstrated results consistent with those of the literature as illustrated in Fig. 2. In particular, the added friction due to the generator is compensated thanks to a feedback law implemented and the free vibration response obtained without it is recovered. Flow visualisations with hydrogen bubbles and particle image velocimetry (PIV) have been performed to finely characterise the different vortex modes in the wake of the oscillating cylinder and to validate the proposed device as shown in Fig. 3. Being part of the project Maggie funded by the Région Nouvelle-Aquitaine, the following phase of the work will consist in the investigation of the interaction of two devices installed in a row. Active control based on machine learning algorithms are being implemented with objective to optimise the energy which can be potentially harvested from both devices. Optimisation of the energy harvested will be performed thanks to controlled rotation of the cylinder towards its main axis.

Figure 2 : Cylindre rigide oscillant monté sur un système coussin d’air. Projet Région Nouvelle-Aquitaine « Maggie ».

Figure 3 : Amplitude de réponse du cylindre en fonction de la vitesse adimensionnée de l’écoulement amont. (Bleu) Khalak & Williamson 1997. Résultats présents: (rouge) sans et (orange) avec compensation du frottement sec en présence de la génératrice.

Figure 4 : Exemple de champ de vorticité dans le sillage du cylindre oscillant obtenue par moyenne conditionnelle. Les résultats montrent un sillage de forme dit « 2P ».

Titre Activité : Effets d’eaux-mortes et génération de structures ondulatoires et hydrauliques internes

Permanents : G. Rousseaux

M2 et Doctorant : Y. Devaux (2014), C. Caplier (2012-2015) et J. Fourdrinoy (2018-2021)

Collaborations : J. Dambrine¹, M. Petcu¹, M. Pierre¹, A. Gianni², I. Zacharias², I. Jouteur³, P. Martin⁴

1-(LMA, Univ. Poitiers), 2-(Univ. Patras, Grèce), 3-(Forellis, Univ. Poitiers), 4-(Univ. Montpellier)

Fig. Vue latérale d’une expérience d’eaux-mortes avec détection subpixel de la position de l’interface et du bateau en régime faiblement confiné.

Un bateau se déplaçant dans un milieu stratifié en densité génère à l’interface entre les deux couches des ondes internes. Ces ondes interagissent avec le bateau, le freinant ou l’accélérant. Ces phénomènes, appelés effets d’eaux-mortes, peuvent être observés dans tous les fjord, mers et océans où se superposent des eaux de densité différentes, ou à l’entrée de certains ports et canaux. Au laboratoire, il est possible de reproduire de telles conditions dans des canaux de petites tailles afin d’y tracter des maquettes et d’observer cette dynamique particulière d’un bateau piégé dans un bicouche. La mise en place d’une méthode de détection de la déformée d’interface sous l’échelle du pixel (dite méthode subpixel) montre un comportement linéaire ou faiblement non-linéaire des ondes générées. En collaboration avec le Laboratoire de Mathématiques et Applications dans le cadre du GT PHYDROMAT, une classification mathématique de différentes ondes internes a conduit à la réalisation d’un code de calcul analytique permettant la reproduction de la dynamique du bateau ainsi que des ondes internes l’accompagnant. Ces calculs numériques, liés aux mesures expérimentales, mettent en évidence une dualité dans le phénomène d’eaux-mortes : un effet transitoire inédit à l’origine des oscillations de la vitesse du bateau, se superposant à l’effet classique stationnaire provoquant une résistance à l’avancement du bateau constante asymptotiquement [1]. Les expériences en laboratoire permettent d’étudier des structures internes plus complexes, qu’elles soient hydrauliques ou ondulatoires, dépassant le cadre de l’étude de la dynamique des navires.

Ces travaux s’inscrivent dans un plus vaste projet pluridisciplinaire cherchant à expliquer la défaite Antonienne lors de l’antique bataille navale d’Actium (31 avant J.-C.). Le lieu de la bataille présentant plusieurs particularités (fjord peu profond), la Physique des ondes aurait pu jouer un rôle important dans l’issue du combat [2].

Fig. Simulation de la déformée d’interface et de la dynamique d’un bateau par calcul analytique linéaire pour plusieurs confinements latéraux.

Manuscript de thèse de Johan Fourdrinoy :

The Battle of Actium : zoology of waves-currents-ships interactions

Références

Titre Activité : Science des Analogues (Gravitation Analogue, Cosmologie Analogue, etc…)

Permanents : G. Rousseaux

M2 et Doctorant : Léo-Paul Euvé M2 & PhD (2014-2017), S. Robertson Postdoc (4 mois, 2016)

Collaborations : S. Robertson (ANR HARALAB), Renaud Parentani (ANR HARALAB), Florent Michel (ANR HARALAB), Alessandro Fabbri, Yury Stepanyants, Tom Philbin, Hamid Kellay, Stephan Mancas

Une équipe internationale de physiciens de l’Institut Prime (UPR 3346), du Laboratoire de Physique Théorique (UMR 8627), de l'Université Paris-Sud, et de l'Université d’Exeter (Royaume-Uni) a observé le rayonnement de Hawking analogue en mesurant les propriétés statistiques des fluctuations de surface d'un écoulement mimant un trou blanc. Conformément aux prédictions de Hawking, les mesures ont révélé qu'il existe bien des corrélations entre les ondes diffusées sur cet écoulement.

Ces observations ont requis l'utilisation d'outils avancés de la mécanique des fluides expérimentale, complétés par des prédictions numériques et théoriques. Un courant d’eau a été établi dans un canal à Poitiers, au fond duquel un obstacle permet de générer un flot qui accélère significativement l'écoulement tout en restant régulier. L'effet de la gravité (encodé dans la courbure de l'espace-temps caractérisant le trou blanc) est ici imité par la variation de la vitesse d'écoulement au-dessus de l'obstacle.

Fig. Canal à houle et dispositif expérimental de l’Institut Pprime. Le batteur au bout du canal est utilisé uniquement pour étudier l’effet Hawking stimulé par une onde monochromatique.

Fig. Forme de l'obstacle mis sur le fond et surface de l'eau (lissée). La flèche épaisse bleue indique la direction de l'écoulement. Les flèches minces montrent l'orientation de la vitesse des ondes produites par la diffusion de l'onde incidente I qui est bloquée au voisinage de l'obstacle par l'augmentation de la vitesse d'écoulement. L’effet Hawking est encodé dans l’amplitude (relative) de l'onde courte H qui transporte une énergie négative.

Fig. Spectre des fluctuations de la hauteur d'eau observées en aval de l'obstacle, exprimé en termes du nombre d'onde k (en m-1) et de la fréquence (en Hz). Comme prévu, la puissance suit la relation de dispersion des ondes de surface dans un contre-courant (ligne continue). Les lignes pointillées indiquent les modes qui possèdent des nœuds dans la direction transversale par rapport à l'écoulement. Les corrélations sont extraites à partir des mêmes données. Elles concernent des ondes possédant différents k mais de même fréquence (car l'écoulement est stationnaire).

Référence

Titre Activité : Transport sédimentaire

Permanents : A. Beaudoin, G. Rousseaux et S. Huberson

Doctorants : Y. Satria Putra (2014-2018) et A. Ghzayel (2020-2023)

Collaborations : Equipe HYDEE (Département FTC de l’Institut Pprime), Grand Poitiers (Service Centre d’Activités Milieux Naturels), Entreprise E-4S, GIS HED2 et 3R Futurs ACTS

Volet 1 : Le transport sédimentaire peut être naturellement perturbé par une modification temporaire de l’écoulement de la rivière. C’est le cas lors du passage d’un mascaret. Le mascaret est un phénomène hydraulique assez rare qui ne peut se produire qu’à l’embouchure de certains fleuves, lorsque la marée est montante. Il peut présenter des dangers importants pour les embarcations, les structures fluviales, ainsi que les personnes évoluant à proximité des berges du fait de sa puissance. Trois modèles numériques ont été développés pour étudier l’impact du mascaret sur le transport sédimentaire lors des thèses d’Adrien Berchet (2011-2014) et de Yoga Satria Putra (2014-2018). Le modèle tracker, basé sur les méthodes tracker, permet de simuler la trajectoire des particules à partir de l’équation de Maxey-Riley modifiée. Ce modèle tracker a permis de montrer que le modèle d’interaction onde-courant, introduit par Chen et al. en 2012, pouvait être utilisé pour simuler la trajectoire des particules induite par le passage d’un mascaret. Le modèle particulaire, basé sur une méthode vortex (ou encore dite méthode particulaire suivant les communautés), a permis de reproduire les structures sédimentaires observées en canaux de laboratoire. Le modèle moment, basé sur la méthode des moments, a permis de montrer que l’effet du mascaret sur le transport sédimentaire pouvait se traduire comme la somme des effets d’écoulement générés par une rupture de barrage et un train de solitons. Le mascaret peut apparaître sous différentes formes mais on distingue deux formes principales : les mascarets ondulants et les mascarets déferlants. Dans le passé, le nombre de Froude a été utilisé pour essayer d’établir une classification des différentes formes du mascaret. Dans le cadre de sa thèse financée par une collaboration internationale France Indonésie (2014 - 2018), Yoga Satria Putra a mis en place un modèle numérique sous OpenFOAM pour estimer les valeurs seuils du nombre de Froude permettant de classifier les mascarets. Pour un nombre de Froude inférieur à 1,43, les mascarets conservent une forme ondulée. Pour un nombre de Froude compris entre 1,43 et 1,57, les mascarets ont une forme mixte entre les mascarets ondulants et les mascarets déferlants. Pour un nombre de Froude supérieur à 1,57, les mascarets sont tous déferlants. Les simulations numériques réalisées par Yoga Satria Putra ont permis de classifier les mascarets en fonction du nombre de Froude et de proposer des modifications au modèle de Chen pour simuler la trajectoire des particules induite par un mascaret, suite du travail de thèse d’Adrien Berchet.

Fig. Longueur d’ondes adimensionnelle en fonction du nombre de Froude (Satria Putra et al., 2019).

Fig. Amplitude des ondes adimensionnelle en fonction du nombre de Froude (Satria Putra et al., 2019).

Volet 2 : Le contexte réglementaire actuel (DCE, code de l’environnement, lois Grenelle, GEMAPI, ...) impose aux gestionnaires des cours d’eau de rétablir la continuité écologique. Pour aider la communauté urbaine de Grand Poitiers à définir une politique d’aménagement du Clain, un modèle numérique permettant d’étudier le comportement hydro-sédimentaire du Clain est en cours de développement. La définition d’une politique d’aménagement des ouvrages transversaux se heurte à deux difficultés : l’évaluation des effets des aménagements sur le transit sédimentaire et celle des effets cumulatifs à l’échelle d’un tronçon de cours d’eau. Le modèle numérique devra alors être capable de faire des simulations numériques à grandes échelles, spatiale et temporelle, tout en préservant une résolution suffisante pour reproduire correctement le comportement hydro-sédimentaire de la rivière. Ce modèle numérique est en cours de développement dans le cadre de la thèse ministérielle d’Alaa Ghzayel, démarrée en Octobre 2020. La stratégie de développement de ce modèle numérique s’appuie sur OpenFOAM permettant de disposer d’un environnement de développement déjà parallélisé. On trouve dans OpenFOAM le solveur SWO (shallow water openfoam). Ce solveur sera modifié pour simplifier la résolution de l’équation de Saint Venant en implémentant un critère sur les effets inertiels de l’écoulement de la rivière qui peuvent être dans certains cas négligés. Un module transport sédimentaire sera développé pour simuler l’érosion du fond de la rivière et l’évolution de la turbidité de l’eau. Une fois le modèle numérique développé, son calage à la configuration du Clain sera réalisé en faisant de l’assimilation de données. Une étape de terrain sera réalisée pour obtenir la topographie du Clain, les débits en périodes fortes et basses eaux, la turbidité de l’eau et la nature des sédiments présents au fond du Clain. Ces mesures seront réalisées par l’entreprise E4S disposant d’un drone. Ce travail est réalisé dans le cadre d’une convention avec Grand Poitiers. Il a permis d’intégrer le groupe de travail GIS HED2, et le réseau 3R Futurs ACTS de la région Nouvelle Aquitaine.

Fig. Variation de la topographie deltaz [m] pour un débit à 25 m3/s, en fonction des différents aménagements.

Références :

Putra, Y. S., Beaudoin, A., Rousseaux, G., Thomas, L., & Huberson, S. (2019). 2D numerical contributions for the study of non-cohesive sediment transport beneath tidal bores. Comptes Rendus Mécanique, 347(2), 166-180.
Putra, Y. S. (2018). Contributions numériques pour l'étude du transport des sédiments sous les mascarets (Doctoral dissertation, Université de Poitiers).
A. Berchet, A. Beaudoin and S. Huberson, (2020). Adaptive particle method based on moments for simulating the mass transport in natural flows. Computational Particle Mechanics, 8(3), 525-534.
Berchet, A., Simon, B., Beaudoin, A., Lubin, P., Rousseaux, G., & Huberson, S. (2018). Flow fields and particle trajectories beneath a tidal bore: A numerical study. International Journal of Sediment Research, 33(3), 351-370.
Berchet, A., Beaudoin, A., & Huberson, S. (2016). Divergence-free condition in transport simulation. Comptes Rendus Mécanique, 344(9), 642-648.

Titre Activité : Lubrification XPHD

Permanents : A. Beaudoin

Doctorants : A. E. Ennazii (2020-XXXX)

Collaborations : Equipe TRIBOLUB et Equipe PEM (Département FTC de l’Institut Pprime)

Fig. Image tomographique d’une mousse synthétique, maillage 3D obtenu avec AVIZO et champ d’écoulement simulé avec OpenFOAM (Ennazii et al., 2021).

Dans certaines applications industrielles, il est parfois nécessaire de disposer de plusieurs modèles numériques permettant d’étudier l’hydrodynamique des écoulements à différentes échelles. C’est le cas de la lubrification XPHD (eX-Poro-HydroDynamique) utilisée dans les systèmes d’amortissement des arbres de transmission. La lubrification XPHD utilise une mousse synthétique remplie d’huile pour assurer l’amortissement. Deux modèles numériques permettant de simuler la réponse hydro-mécanique de ce nouveau système d’amortissement à des sollicitations normales et tangentielles sont nécessaires pour le dimensionner. A l’échelle des pores de la mousse, le premier modèle numérique simule l’écoulement de l’huile à travers un matériau poreux compressible. La difficulté réside dans la description complexe de la géométrie des pores de la mousse pour réaliser des simulations numériques. Pour remédier à cette difficulté, deux cas sont considérés. Dans le premier cas, la géométrie de pores de la mousse est reconstruite à différents niveaux de compression avec la microtomographie X-ray 3D. Le post-traitement des images tomographiques est effectué avec le logiciel AVIZO qui permet aussi de construire le maillage utilisable par le solveur simpleFoam d’OpenFOAM pour faire des simulations numériques. Ces simulations numériques permettront d’étudier l’impact de la déformation de la mousse sur les variations de pression. Cette analyse devrait permettre d’optimiser la géométrie des pores de la mousse. Une loi de distribution de la taille des pores pourra être identifiée. Dans le second cas, les simulations numériques sont réalisées dans une mousse virtuelle dont la géométrie des pores est construite avec l’algorithme de Voronoi et les logiciels solidworks - catia. Le maillage est réalisé avec l’outil snappyHexMesh d’OpenFOAM. A l’échelle de la mousse, un modèle numérique basé sur la théorie de poro-élasticité est développé pour étudier la réponse hydro-mécanique d’une mousse à des sollicitations normales et tangentielles. La difficulté porte sur le suivi des déformations de la mousse. Pour remédier à cette difficulté, une méthode SPH est utilisée pour résoudre le problème car elle utilise un maillage adaptatif. Pour réaliser les simulations numériques, un travail d’optimisation de la méthode SPH avec la parallélisation sous OpenMP (Open Multi-Processing) ou sous MPI (Message Passing Interface) ou sous CUDA (Compute Unified Device Architecture) est nécessaire. Tous ces développements seront réalisés dans la thèse d’Alaa Eddine Ennazii, recruté en Novembre 2021 sur le projet ANR SOFITT (2021-2025).

Titre Activité : Contrôle de structures oscillantes pour la récupération d’énergie

Permanents : F. Kerhervé, L. Cordier, A. Spohn

Doc. & Postdocs : A. Schmider

Collaborations : IMFT Toulouse, ICube Strasbourg

Titre Activité : Modelling and Control of near wall Turbulence: from physical understanding to Machine Learning approaches

Permanents : L. Agostini, L. Cordier

Doc. & Postdocs :

Collaborations : Imperial College London (UK), Ohio State University (US), Los Alamos (US)

Nowadays, experimental and numerical simulations progressively provide an unprecedented volume of extremely detailed data, which need to be examined and interpreted. There is therefore an increasing urgency of refined investigative tools for appropriate statistical analyses and data mining. Machine-learning (ML) algorithms offer a new path for investigating high-dimensional, nonlinear problems, such as near-wall Turbulence. The development of ML methods, associated with the abundance of data and combined with solid background in Turbulence, offer an unique opportunity for achieving major breakthrough in terms of advances in wall-bounded flows and their control. The key objectives of this research programme, by using a large spectrum of statistical analysis combined with various ML approaches, is to nail the boundary-layer theory down and derive models that are able to predict relevant physical characteristics and the response to forcing near-wall Turbulence for both incompressible and compressible flows, where density variations are caused by pressure or temperature fluctuations or both. The other objective is to provide solutions for reducing drag and, in the case of a thermal boundary layer, to maximise the heat transfer, whilst keeping losses as low as possible.

Turbulence within a wall-bounded flow, although emphatically chaotic, has some coherent structural components that are of major influence on the momentum‐mixing process and consequently to the drag and heat exchange. First, it is well established, both from simulations and experiments, that the highly‐sheared viscosity‐affected near‐wall layer is characterised by a quasi‐organised streaky structure -- collectively referred to as "streaks" -- formed by a spanwise, quasi‐regular, elongated, high‐ and low‐velocity regions. These are associated with quasi‐streamwise vortices that cause a lift up of low‐velocity fluid and a draw-down of high‐speed fluid. These turbulent structures occur during transition from laminar to turbulent conditions, in which case the spectrum of their scales is very narrow. Studying transitional phenomena is relatively simple, requiring modest resources, when compared to flows that are fully turbulent and feature a wide spectrum of scales. Therefore, the nature of transitional flow, from laminar to turbulent, is fairly well understood, at least for incompressible flows. However, fully turbulent flows at high Reynolds numbers pose far greater challenges.

Figure 1: Streamwise velocity field for a channel flow at moderate Reynolds number. 1: in the viscous sublayer and 2: in the outer flow (mid-height of the log law).

A visual inspection of a velocity field taken in a lower part of a boundary layer at moderate Reynolds numbers (see Fig. 2) reveals numerous small-scale structures, of order of the streaks and smaller, but also brings to light the presence of much larger eddies. Computations and measurements show that there exists a particular set of large-scale structures that are most pronounced in the middle of the near-wall layer. These remain coherent throughout the boundary layer, and their contribution to the boundary-layer dynamics increase as the Reynolds number rises. This is one of the reason why control strategies developed to reduce drag at low Reynolds number lose effectiveness at higher Reynolds number. Despite the fact there is now firm evidence of the presence of energetic outer structures, their features and their dynamics remain ill understood. However, there is broad consensus around the idea that eddies that populate the region beyond the viscosity-affected sub-layer can be split into two groups: attached eddies and super streaks. The Townsend-Perry Attached-Eddy Hypothesis (AEH, see Townsend 1976 and Perry et al. 1982 ) is one of the major historical fix-points of sheared near-wall Turbulence. Its most important statistical constituent is the statement that the energy-containing motions in the log-layer are associated with coherent eddies that are ``attached'' to the wall, both, their dimension and their energy, rising linearly with wall distance, implying that the eddies are self-similar. Several recent studies support the existence of attached eddies and the conceptual model introduced by Perry et al. 1986, which attributes the log layer to the hierarchy of organised eddies having scales that grow in proportion to the distance from the wall.

Figure 2: Conceptual representation of the near-wall bounded flow ``zoology'', and their evolution as the Reynolds increases.

A conceptual representation of the boundary-layer ``zoology'' as the Reynolds number rises is conveyed by Fig. 2. Streaks, attached eddies and super-streaks are represented by blue ovals, green triangles and larger red ovals, respectively. The streaks depend on the viscous scales. In contrast, the super-streaks scale with the thickness of the boundary layer and the outer mean velocity. Essentially, as the Reynolds number increases, the outer motions become progressively stronger and so does their influence on the near-wall structures. Simultaneously, the range of attached eddies increases, with the hierarchy of eddies becoming more richly populated.

A conceptual representation of the dynamical organisation that we proposed is conveyed by Fig. 3. The three families of structure are sketched, all the arrows represent a possible interaction. The identification and description of the features of each family and the nature of their interaction is necessary for defining the dynamics. Our research program is based on two approaches in order to define these features more rigorously. The first approach, named Empirical Mode Decomposition (EMD), comes from the Signal Processing community, while the second, called Auto-Encoder (AE), is issued from Machine Learning. The representation of the structural organisation proposed by the writer, can be interpreted as a ``puzzle'', wherein each piece needs to be first resolved and then the pieces put together to form a whole paradigm. It is only once the puzzle is completed that we will have the full picture of wall-bounded flows theory.

Figure 3: Conceptual organisation of the near-wall Turbulence dynamics.

References :

L. Agostini & M.A. Leschziner, On the influence of outer large-scale structures on near-wall turbulence in channel flow, Physics of fluids, 26(7):075107, 2014
L. Agostini, Exploration and prediction of fluid dynamical systems using Auto-Encoder technology, Physics of fluids,32(6):067103, 2020
L. Agostini & M.A. Leschziner, Statistical analysis of outer large-scale/inner-layer interactions in channel flow subjected to oscillatory drag-reducing wall motion using a multiple-variable joint PDF methodology, Journal of Fluid Mechanics, 923, 2021

Titre Activité : Amortissement par une structure poreuse

Permanents : A. Beaudoin, G. Rousseaux et S. Huberson

Doctorant : M. Ramos Ortega (2017-2021)

Pour réduire l’émission de CO2 dans l’atmosphère, une solution possible est de développer le transport fluvial. Les péniches émettent 2 à 4 fois moins de CO2 que les camions pour déplacer une tonne de marchandises sur un kilomètre. Le réseau de canaux fluviaux doit pouvoir absorber l’augmentation du trafic fluvial en terme de résilience. Le passage de bateaux dans les canaux fluviaux provoque une détérioration des berges prématurément à cause d’une érosion induite par l’impact du train de vagues généré par les bateaux sur les berges. Les gabions constituent une solution possible pour protéger les berges de ce phénomène. Le principe de cette solution est de recouvrir les berges par une structure poreuse permettant d’amortir le train de vagues. L’efficacité de la structure poreuse est mesurée au travers des coefficients de réflexion, de transmission et de dissipation, caractérisant les transformations d’énergie qui ont lieu lors de l’impact du train de vagues sur la structure poreuse. En raison de sa capacité à décrire des écoulements à surface libre complexe, une méthode ISPHP (Incompressible Smoothed Particle Hydrodynamics for Porous) a commencé à être développée dans la thèse de M. Ramos Ortéga pour quantifier l’amortissement d’un train de vagues sur une structure poreuse. S’appuyant sur la résolution des équations de Navier – Stokes Brinkmann et le développement de nouvelles fonctions de régularisation, la méthode ISPHP permet de résoudre l’écoulement à la fois dans la structure poreuse, dans le canal et à l’interface structure poreuse / canal. La méthode ISPHP sera utilisée dans le cadre du réseau 3R Rivages de la région Nouvelle Aquitaine pour étudier les ouvrages de protection de son trait de côte. Des améliorations seront envisagées comme la parallélisation sous MPI/GPU Cuda et la mise en place d’une méthode de raffinage/dé-raffinage du nuage de particules.

Fig. Champ du vecteur vitesse obtenu par la méthode ISPHP modifiée pour l’infiltration d’un train de vagues dans une structure poreuse (M. Ramos Ortéga, 2021).

Coefficient de dissipation CD en fonction du logarithme du paramètre adimensionnel ln(chi) obtenu avec la méthode ISPHP modifiée (croix bleues), les mesures expérimentales de Carrasco et al. (croix rouges) et la fonction sigmoïdes 1 - psi_R (ligne jaune) (M. Ramos Ortéga, 2021).

Références

M. Ramos Ortéga, Contribution aux méthodes SPH pour simuler l’amortissement d’un train de vagues dans une structure poreuse, thèse de l’Université de Poitiers, Juin 2021.
Ramos Ortega, M., Beaudoin, A., & Huberson, S. (2020). Optimized incompressible smoothed particle hydrodynamics methods and validations. International Journal for Numerical Methods in Fluids, 92(11), 1528-1550.

Titre Activité : Macro dispersion

Permanents : A. Beaudoin et S. Huberson

Doctorants et Post-doctorants : A. Dartois (2013-2016) et M. Farhat (2020)

Collaborations : J.R de Dreuzy (Géosciences de Rennes, Université de Rennes, France) et A. Boschian (Groupe Milieux Poreux, Université de Buenos Aires, Argentine)

Les formations géologiques sont des milieux poreux et/ou fracturés très fortement hétérogènes. Les écoulements sont alors caractérisés par une forte hétérogénéité de la vitesse d’écoulement. Cette hétérogénéité de l’écoulement perturbe le transport de particules, ne pouvant suivre l’équation classique de transport. L’hypothèse d’un régime fickien n’est plus valable. PARADIS est un modèle numérique parallélisé permettant de quantifier les lois de transport des particules inertes dans des milieux poreux très fortement hétérogènes. Il est basé sur une méthode stochastique non intrusive (méthode Monte Carlo) permettant de prendre en compte l’hétérogénéité de la conductivité hydraulique en tirant une série de champs aléatoires de la conductivité hydraulique. L’écoulement stationnaire en piston est résolu par la méthode des volumes finis. Le transport est résolu par une méthode "tracker random walker" corrigée pour la prise en compte de la discontinuité de la dispersion locale entre les strates d’une formation géologique. A l’aide du calcul intensif, l’extension 3D de ce code universitaire a permis de montrer d’une part que la macro dispersivité dans le sens parallèle à l’écoulement suit une loi quadratique en 2D et une loi exponentielle en 3D par rapport à la variance de la conductivité hydraulique et d’autre part que la macro dispersivité dans le sens perpendiculaire à l’écoulement est non nulle en 3D. Des modifications ont été apportées pour étudier le transport de particules réactives dans ces mêmes milieux poreux hétérogènes. Une adaptation de la méthode particulaire pour résoudre l’équation de transport du gradient de la concentration a été réalisée dans le cadre de la thèse d’A. Dartois (2013-2016), financée par l’ANR H2MNO4 (2012-2017), en collaboration avec Géosciences de Rennes. Le choix d’une méthode particulaire s’est justifié par le fait qu’elle est bien adaptée lorsqu’il existe des interactions locales entre les particules. Le choix d’écrire une équation de transport du gradient de la concentration s’est justifié par le fait que le gradient de la concentration permet de remonter directement au taux de réactivité des particules. Ce modèle numérique est actuellement utilisé dans une collaboration scientifique avec le groupe Milieux Poreux de l’Université de Buenos Aires (Argentine) pour étudier le transport de particules inertes dans des faciès plus ou moins connectés (Projet ECOS SUD France – Argentine). Dans le cadre de l’axe 3 "chimie verte et ressources durables" du programme P4 - ECONAT (CPER/FEDER 2015-2020), des modifications ont été réalisées pour étudier l’effet des zones de contact entre les deux surfaces rugueuses d’une simple fracture sur le transport de particules inertes. Ces modifications ont été faites par M. Farhat, post-doctorant (2020) financé par ECONAT. Ces modifications consistaient à implémenter la simulation de l’écoulement de l’eau dans le plan de la fracture. Pour cela, une approximation de Reynolds a été appliquée. Le gradient de l’ouverture de la fracture est supposé être assez faible pour considérer l’écoulement dans le plan de la fracture comme un écoulement de Poiseuille. Ainsi, le problème de l’écoulement de l’eau est considéré comme 2D où l’estimation de la vitesse moyenne est faite à partir de l’équation de continuité et de la loi de Darcy avec une conductivité hydraulique proportionnelle à l’ouverture de la fracture. La fracture est limitée par deux surfaces rugueuses non corrélées. L’ouverture de la fracture est donnée en estimant la distance moyenne entre les deux surfaces. La rugosité de chaque surface est caractérisée par une fluctuation aléatoire donnée par une fonction de corrélation spatiale, gaussienne ou auto-affine. Une quantification de l’impact des zones de contact entre les deux surfaces de la fracture simple sur la macro-dispersion a pu être faite. Cette étude paramétrique a montré qu’en perturbant l’écoulement, les zones de contact engendraient une dispersion additionnelle. Cette modélisation numérique a soulevé une question sur la prise en compte de la dispersion de Taylor-Aris dans les simulations numériques de Monte Carlo. Une nouvelle méthode "tracker random walker" permettant de considérer la dispersion de Taylor-Aris sans être obligé de simuler numériquement l’écoulement de l’eau en 3D est en cours de développement. La difficulté est de considérer la déformation des particules inertes induite par la variation de la vitesse dans la direction perpendiculaire au plan de la fracture. La solution est d’utiliser la notion de moments rendant possible de suivre la forme des particules inertes pendant leur transport dans la fracture.

Fig. Organigramme de la chaîne de production développée autour du module PARADIS et des librairies libres utilisées (A. Dartois, 2016).

Fig. Distribution spatiale du taux de réactivité entre deux espèces chimiques obtenue avec la méthode particulaire adaptée dans un champ 2D d’écoulement hétérogène (Beaudoin et al., 2018).

Références :

A. Beaudoin and M. Farhat, Impact of the fracture contact area on macro dispersion in single rough fractures, Comptes Rendus Mécanique, 349 (2021), 203-204.
Beaudoin, A. Dartois and S. Huberson, Analysis of the influence of averaged positive second invariant of deformation tensor on the maximum dilution index in steady Darcy flows through isotropic heterogeneous porous media, Advances in Water Resources, vol. 128, June 2019, 39-47.
Dartois, A. Beaudoin and S. Huberson, Impact of local diffusion on macroscopic dispersion in three-dimensional porous media, Comptes Rendus Mecanique, 346 (2018), 89-97.
A. Beaudoin, S. Huberson and J.R. de Dreuzy, Adapting particle methods to model the dynamics of concentration gradients and chemical reactivity under advective diffusive transport conditions, Journal of Computational Physics, 354 (2018), 196-210.
A. Dartois, Étude de la macro-dispersion de particules inertes dans des milieux poreux 3D fortement hétérogènes, 2016, Thèse de doctorat de l’Université de Poitiers.

Titre activité : Développement du code DNS/LES open-source Xcompact3d

Permanents : Cédric Flageul, Eric Lamballais, Philippe Parnaudeau, Rodolphe Perrin

Doctorants, postdocs : Thibault Dairay, Rodrigo Vicente Cruz

Collaborations : Imperial College London, PUCRS, UFRGS, EDF R&D Chatou

Cette activité de développement numérique se consacre au code de calcul open-source Incompact3d qui fédère une centaine d'utilisateurs à travers le monde. Ce code résout les équations de Navier-Stokes incompressibles sur un maillage Cartésien en combinant des schémas aux différences finies d'ordre élevé pour la différentiation spatiale avec une méthode de frontières immergées pour le traitement de géométries complexes dans le contexte de la simulation numérique directe (DNS en sigle anglo-saxon) et de la LES. L'Institut Pprime en est le fondateur et il développe aujourd'hui chaque nouvelle version en partenariat étroit avec Imperial College London, ainsi qu'avec deux universités Brésiliennes (PUCRS, UFRGS) et EDF R&D Chatou. La toute dernière version, rebaptisée Xcompact3d, est présentée dans l'article collectif [1].

Référence :

Bartholomew, G. Deskos, R.A.S. Frantz, F.N. Schuch, E. Lamballais & S. Laizet. Xcompact3d: An open-source framework for solving turbulence problems on a Cartesian mesh. SoftwareX, 12:100550, 2020.

Titre activité : Modélisation sous-maille implicite d'ordre élevé

Permanents : Eric Lamballais, Rodolphe Perrin

Doctorants, postdocs : Thibault Dairay, Rodrigo Vicente Cruz

Collaborations : Imperial College London

Les développements de modélisation sous-maille pour la LES implicite se font en collaboration avec Imperial College London en donnant lieu récemment à trois séjours de trois mois d'Eric Lamballais à Londres en tant que chercheur invité accueilli par Christos Vassilicos et Sylvain Laizet. L'originalité de l'approche proposée réside dans l'application et le calibrage de la régularisation de la solution. L'application est assurée par le calcul d'un terme visqueux stimulé artificiellement à petites échelles. Le calibrage est réalisé à partir d'une fermeture spectrale simplifiée de l'équation de Lin. Il en résulte une modélisation sous-maille originale, désignée par le terme viscosité spectrale implicite, dont la dissipation artificielle est guidée par un critère physique. La recherche actuellement poursuivie sur ce sujet vise à mieux maîtriser la sélectivité de la modélisation sur les échelles calculées explicitement en prenant notamment en considération les interactions triadiques distantes. L'ensemble de ces travaux a été présenté en conférences internationales en aboutissant à 7 publications référencées [1-7] dont en particulier l'article [2] dans Journal of Computational Physics qui est déjà cité plus de 40 fois malgré sa publication récente en 2017. Parmi les faits marquants de cette activité, on peut mentionner la première mise en évidence de la possibilité d'une modélisation de turbulence pariétale implicite qui dispense d'un raffinement de maillage au voisinage de la paroi [1,5,7], contrairement à l'idée communément admise que celui-ci est impératif.

Référence :

Dairay, E. Lamballais & S. Benhamadouche. Mesh node distribution in terms of wall distance for large-eddy simulation of wall-bounded flows. Flow Turb. Combust., 100(3):617-626, 2018. https://doi.org/10.1007/s10494-017-9863-5
Dairay, E. Lamballais, S. Laizet & C. Vassilicos. Numerical dissipation vs. subgrid-scale modelling for large eddy simulation. J. Comp. Phys., 337:252-274, 2017. https://doi.org/10.1016/j.jcp.2017.02.035
Dairay, E. Lamballais, S. Laizet & J.C. Vassilicos. Physical scaling of numerical dissipation for LES. In D. Grigoriadis, B. Geurts, H. Kuerten, and J. Fröhlich, editors, Direct and Large Eddy Simulation X, volume 24, pages 149-155. ERCOFTAC series, Springer, Cham, 2018. https://doi.org/10.1007/978-3-319-63212-4_18
Lamballais, E., Dairay T., Laizet S., Vassilicos J. C., Implicit/Explicit Spectral Viscosity and Large-Scale SGS Effects. ERCOFTAC Series, 25, 107-113, 2019. https://doi.org/10.1007/978-3-030-04915-7_15
Lamballais & R. Vicente Cruz. From explicit to implicit subgrid-scale and wall modelling in large-eddy simulation. In Bjorn Skallerud and Helge I. Andersson, editors, MekIT'19, Tenth national conference on Computational Mechanics, pages 1- 24, Trondheim, Norway, 2019, ISBN: 978-84-949194-9-7.
Lamballais, R. Vicente Cruz & R. Perrin. Viscous and hyperviscous filtering for direct and large-eddy simulation. J. Comp. Phys., 431:110115, 2017. https://doi.org/10.1016/j.jcp.2021.110115
Vicente Cruz, E. Lamballais & R. Perrin. Implicit wall-layer modelling in turbulent pipe flow. In M. Garcia-Villalba, H. Kuerten, and M. Salvetti, editors, Direct and Large Eddy Simulation XII, volume 27, pages 425- 431. ERCOFTAC Series, Springer, Cham, 2020. https://doi.org/10.1007/978-3-030-42822-8_56

Titre activité : Simulation haute-fidélité en aérothermie et thermohydraulique

Permanents : Eric Lamballais, Cédric Flageul

Doctorants, postdocs : Thibault Dairay, Rodrigo Vicente Cruz

Collaborations : EDF R&D Chatou, UFRGS

L'évolution de l'équipe vers l'aérothermie et la thermohydraulique a débuté en 2010 en conduisant en 2015 à la publication dans la revue Journal of Fluid Mechanics [1] d'une étude par DNS des transferts thermiques d'un jet impactant turbulent sur une paroi chauffée qui fait aujourd'hui référence (plus de 70 citations). Une autre activité, initiée à la même période et consacrée à l'étude par DNS des transferts thermiques conjugués entre deux plaques planes et un écoulement turbulent, a permis la publication de deux articles en 2015 et 2017 [2,3] en plus d'actes de conférences internationales. La poursuite de ces deux activités a consisté à réaliser la première DNS d'un jet impactant turbulent sur une paroi avec transferts thermiques conjugués, ainsi que le développement d'une nouvelle méthode de frontières immergées duale qui permet de prendre en compte ce type de couplage fluide/solide dans les échanges de chaleur. De nouveaux développements dans ce domaine sont en cours pour permettre le traitement d'une géométrie complexe. Un renforcement des études par DNS/LES du transfert thermique est à noter dans l'équipe à travers le recrutement en septembre 2020 d'un maître de conférences sur la base d'un projet de recherche résolument orienté dans ce domaine en cohérence avec la 62e section d'affectation pour ce poste.

Référence :

Dairay, V. Fortuné, E. Lamballais & L. Brizzi. Direct numerical simulation of a jet impinging on a heated wall. J. Fluid Mech., 764:362-394, 2015. https://doi.org/10.1017/jfm.2014.715
Flageul, S. Benhamadouche, E. Lamballais & D. Laurence. DNS of turbulent channel flow with conjugate heat transfer: Effect of thermal boundary conditions on the second moments and budgets. Int. J. Heat and Fluid Flow, 55:34-44, 2015. https://doi.org/10.1016/j.ijheatfluidflow.2015.07.009
Flageul, S. Benhamadouche, E. Lamballais & D. Laurence. On the discontinuity of the dissipation rate associated with the temperature variance at the fluid-solid interface for cases with conjugate heat transfer. Int. J. Heat and Mass Transfer, 111:321--328, 2017. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2017.04.005

Titre activité : Analyse aéroacoustique d’écoulements turbulents

Permanents : Véronique Fortuné, David Marx (2AT), Christian Prax (2AT)

Doctorants, postdocs : Robin Sebastian, Woodlens Chéry, Manuel Diaz Escobar

Cette activité de recherche porte sur l’investigation des mécanismes de génération du bruit par les écoulements turbulents, et de la propagation des ondes acoustiques en présence d'écoulement et de parois solides. La stratégie choisie est le calcul direct du champ acoustique obtenu par la résolution directe (DNS/LES) des équations de Navier-Stokes pour un fluide compressible. Le code compact3d s’appuie sur des schémas numériques de haute précision (schéma aux différences finies compact d’ordre six et schéma de Runge Kutta d’ordre quatre pour la discrétisation temporelle) et une stratégie de parallélisation optimisée, exploitant un découpage du domaine de calcul en « crayons » [Laizet et Li, C&F 2011]. D’abord développée avec succès pour l’estimation et l’analyse du rayonnement acoustique d'écoulements cisaillés libres, cette approche directe est maintenant appliquée à l'étude des écoulements turbulents pariétaux en présence d'ondes acoustiques, avec ou sans traitement acoustique (thèse de R. Sebastian (2015-2018), voir ref 1,2 3). Pour s’affranchir des conditions d’impédance de paroi utilisées initialement et permettre une meilleure représentation de l’écoulement au voisinage du matériau acoustique (liner), les développements les plus récents concernent le traitement des conditions aux limites et en particulier la modélisation de la présence des parois par une approche de frontière immergée (IBM) de type forçage direct compatible avec le calcul direct acoustique. Plusieurs méthodes (points fantômes, techniques d’interpolation / extrapolation, …) peuvent être développées pour le traitement des points de calcul situés au voisinage des frontières solides / fluides. En particulier, une approche de forçage basée sur une méthode de raccordement par directions alternées, déjà testée avec succès à l’Institut Pprime pour des simulations d’écoulement turbulent en régime incompressible (thèse R. Gautier, Gautier et al., IJCFD 2014), est en cours de développement (postdoctorat de Manuel Diaz Escobar dans le cadre du projet AFIS soutenu par un financement CPER/FEDER).

Structures turbulentes et de l’onde de surface dans un canal temporel avec une paroi absorbante.

Champ de vitesse transversale et structures turbulentes (isosurface critère Q) sur la paroi basse d’un canal spatial comportant un liner.

Références :

Ce thème regroupe deux activités commencées récemment.

- Afin d’analyser l’efficacité des forces propulsives en milieu aquatique, des travaux ont été engagés dans le cadre de l'ANR DRAGON II autour de la modélisation et de la simulation numérique de la nage des serpents.
- Par ailleurs, dans le but de développer des systèmes autonomes permettant d’extraire de manière optimale l’énergie d’un écoulement incident, une étude expérimentale est réalisée couplant obstacles en oscillation et méthodes d’apprentissage automatique (Projet MAGGIE soutenue par la région Nouvelle Aquitaine).

Contrôle de structures oscillantes pour la récupération d’énergie

Titre Activité : Contrôle de structures oscillantes pour la récupération d’énergie

Permanents : F. Kerhervé, L. Cordier, A. Spohn

Doc. & Postdocs : A. Schmider

Collaborations : IMFT Toulouse, ICube Strasbourg

ANR - SOLAIRE (SOLar, Artificial Intelligence, REceiver)

Collaboration : PROMES/Perpignan-Odeillo - LISN/Orsay

Objectif :
Le projet SOLAIRE propose d’optimiser les transferts thermiques en améliorant la compréhension du couplage entre turbulence et température, ainsi qu’en développant des stratégies de contrôle de la turbulence de proche paroi. L’objectif visé est d’étudier les transferts thermiques intenses en régime turbulent des Récepteurs Solaires (RS) et d’intensifier les transferts de chaleur grâce aux outils de l’apprentissage automatique.

Pour répondre aux enjeux énergétiques et climatiques, nos sociétés se tournent de plus en plus fortement vers le développement de technologies utilisant les énergies vertes. Parmi elles, la ressource en énergie solaire peut apporter plus de 1400 fois l'énergie que nous consommons annuellement sur terre. Ainsi, la capacité mondiale de production d’électricité par les centrales solaires à concentration (technologie CSP : Concentrated Solar Power) atteint actuellement 5,5 GW. Pour assurer la compétitivité des centrales solaires de prochaine génération, il faut augmenter leur rendement et donc travailler à plus haute température (source chaude du cycle thermodynamique). De plus, les hautes températures permettent de réaliser de la thermochimie solaire telle que la synthèse d’hydrogène. Dans ce contexte, la recherche internationale se concentre sur de nouveaux concepts, en particulier au niveau des RS dont la maitrise technologique sera un atout majeur pour le développement des énergies renouvelables.

Le projet SOLAIRE s’inscrit dans le domaine d’application des centrales solaires à haut rendement mettant en oeuvre des RS et des cycles thermodynamiques à très haute température autour de 1000°C. Cette température est très supérieure à celle des fluides caloporteurs circulant dans les absorbeurs des centrales solaires commerciales actuelles, tels que la vapeur d'eau [280-550°C], les huiles solaires [environ 400°C], ou les sels fondus [570°C]. Dans ce projet, le fluide caloporteur sera de l’air pressurisé [700 < T < 1000°C]. Pour atteindre ces très hautes températures, le composant clé de la centrale est le RS. Son rôle est de convertir l’énergie solaire concentrée en énergie thermique et de la transférer au fluide caloporteur. Cette conversion et ce transfert doivent être les plus efficaces possibles pour limiter la température des matériaux constituant le RS (pertes radiatives et contraintes thermomécaniques). Pour ce faire, le laboratoire PROMES développe des RS surfaciques. Le rayonnement solaire concentré est reçu par une seule paroi (l’autre paroi, non exposée au rayonnement solaire concentré, est isolée thermiquement). Ce chauffage asymétrique crée un fort gradient de température qui modifie l’écoulement turbulent. Le couplage entre la dynamique et la thermique nécessite des études fines et des modèles de turbulence et de thermique adaptés.

Voir aussi dans «Fluides, Thermique et Combustion»

Combustion hétérogène et milieu poreux – CH Convection, Optimisation, Systèmes Thermiques Détonique – DETO

Médias

Chercheurs et enseignants-chercheurs

Véronique Fortuné

Germain Rousseaux

Doctorants et Post-Doctorants

Activités de recherche

Contrôle des écoulements et des transferts

Physique des Ecoulements

Simulation haute-fidélité

Biomimétisme / récupération d’énergie

Projets en cours

Liste de publications

Offres d'emploi / Open positions

Voir aussi dans «Fluides, Thermique et Combustion»