Hydrodynamique et Écoulements Environnementaux – HydÉE

Chercheurs et enseignants-chercheurs

PINEAU Gerard

Responsable d'équipe

Tél: +33 5 49 49 69 44

Post-doctorants et doctorants

Post-doctorants et contractuels (au 1er janvier 2021):

  • postdoc: Anthony Auzerais
  • contractuels: Camille Blet

Doctorants (au 1er janvier 2021):

  • Daniel Diaz, Thomas Larrieu, Mohamed Larbi Kara Mostefa, Pierre Lecostey, Clément Vitteau, Nicolas Prouteau, Anne-Fleur Lejeune, Hervé Bonnard, Alaa Ghzayel

Activités de recherche

L'équipe HydÉE a pour objectif l'étude des écoulements hydrodynamiques et leurs applications aux problèmes environnementaux. Elle se compose de deux axes forts qui sont associés: l'hydrodynamique fluviale et le transport de sédiments. Les objectifs scientifiques de l’équipe sont construits essentiellement sur des structurations nationales de recherche comme le Pôle R&D Ecohydraulique, sur des programmes Nationaux (ANR, GIS HED², CPER) et européens (FP7, FEDER, H2020) qui financent les activités fondamentales avec différents partenaires. Les domaines d’application de nos recherches concernent principalement l’application de la loi cadre sur l’eau, les problématiques environnementales et la production d’énergie. D’autres collaborations ponctuelles existent également sur des applications ciblées (rhéologie des huiles, palier hydrodynamique, écoulements). Nos partenaires principaux sont OFB, EDF, SHEM, CNR, VNF, NOVEOL, ADEME, CEA, DGA, VIBRATEC. Les différents chercheurs de l’axe participent aux différents Groupes Thématiques transverses à l’Institut Pprime (Métrologie, Analyse et Assimilation de Données (MAAD) et Calculs (SIMON)).

Le groupe s'appuie sur la plateforme Hydrodynamique Environnementale (pHE), localisée dans le bâtiment H2 sur le site du Futuroscope et composée d’un nombre important de bancs d’essais, comprenant, entre autres, des installations spécifiques, à savoir, un tunnel hydrodynamique, deux grands canaux hydrodynamiques atteignant des gammes de débits importants et un bassin de traction dont les spécificités sont uniques en France. Cet ensemble permet d’étudier les phénomènes hydrodynamiques liés à la navigation fluviale et son impact sur l'environnement, à l'écohydraulique , au transport sédimentaire, aux interactions fluide structures, ou à l’étude de dispositifs de récupération d’énergie. Les activités de recherche développées dans l’équipe utilisent des compétences fortes en métrologie optique, assurées par le développement et la mise en œuvre de techniques planes et volumiques innovantes (PIV, TR-PIV, Stéréo et TomoPIV, PLIF, mesures de surfaces, mesures couplées, rhéométrie optique) disponibles via la plateforme métrologique CEMOP. De la même façon, l'équipe peut compter sur des outils de post-traitement avancés des données (filtres de Kalman, assimilation, pression et forces, FTLE, ...). Enfin, la plateforme de Système et Produits Industriels/ Propriétés Rhéologiques des Matériaux (SPI) est également un outil opérationnel pour HydEE. Cette plateforme a pour objet la caractérisation rhéologique de suspensions, d’émulsions ou de solutions. Les rhéomètres, viscosimètres, conductimètres et cellules de Couette sous pression permettent d’accéder à de nombreuses propriétés rhéologiques comme la viscosité de fluides newtoniens en fonction de la température et de la pression, ou bien la détermination de propriétés non newtoniennes des matériaux comme la rhéofluidication, la viscoplasticité ou la thixotropie.

Hydrodynamique fluviale

Forte de l’expérience des chercheurs pour l’étude des écoulements instationnaires, la partie hydrodynamique est basée sur 3 thèmes : deux concernent directement les écoulements à surface libre et des applications aux écoulements environnementaux, l'autre concerne les sillages autour d’obstacles fixes ou en mouvement. Des approches croisées modélisation-simulation-expériences favorisent la compréhension des phénomènes fondamentaux ou plus appliqués.

 

Vorticité moyenne sous un ressaut hydraulique en translation à Fr=1,5.

 

  • Ondes de batillage (G. Gomit, D. Calluaud, G. Pineau, G. Rousseaux)

doctorants: C. Caplier (2012-2015), G. Gomit (2010-2013)

 

L’identification des mécanismes responsables de la génération et de l’évolution des ondes et vagues ainsi que les interactions entre surface libre et écoulement ont été entrepris par l’étude des ondes de batillages générées par les navires lors de la thèse de C. Caplier (2015). Des études expérimentales et numériques des effets de confinement de la voie d’eau et de courant sur les sillages et la résistance à l’avancement des navires, de carènes génériques et représentatives de navires maritimes et fluviaux, ont été réalisées. Les techniques de mesures optiques de surface libre employées ont permis d’analyser finement le sillage dans l’espace spectral, afin de le décomposer en une composante hydrodynamique dans le champ proche de la carène et une composante ondulatoire dans le champ lointain. Les résultats obtenus dans une configuration de voie d’eau profonde ont mis en évidence la non-linéarité des sillages. En configuration de voie d’eau peu profonde une modification de la forme des sillages et une répartition différente de l’énergie entre les différents systèmes de vagues ont été caractérisées. En présence de contre-courant, une augmentation de l’amplitude des vagues du sillage et un élargissement de la zone de réflexion au niveau des parois du canal ont été mis en évidence. Les mesures de forces de traînée ont montré que l’augmentation de la résistance à l’avancement en eau peu profonde est mise en parallèle avec l’augmentation de l’amplitude et de la longueur d’onde des ondes transverses ainsi qu’une modification de leurs impacts sur les berges.

 

Sillage derrière une maquette de bateau tractée dans le bassin de traction de la plateforme pHE.

Références:
Caplier C., Gomit G., Rousseaux G., Calluaud D., Chatellier L., David L. 2019. Calibrating and measuring wakes and drag forces of inland vessels in confined water in a towing tank. Ocean Engineering, Volume 186, Article 106134. DOI: 10.1016/j.oceaneng.2019.106134
Caplier C., Rousseaux G., Calluaud D., David L. 2019 Effects of finite water depth and lateral confinement on ships wakes and drag, Journal of Hydrodynamics. 1-8. DOI: 10.1007/s42241-019-0054-9
Caplier C., Rousseaux G., Calluaud D., David L., Dambrine J., 2016, Energy distribution in ship wakes from a spectral analysis of the wave field: the deep and shallow water cases. Physics of Fluids, vol.28 - 107104. DOI: 10.1063/1.4964923
Gomit G., Rousseaux G., Chatellier L., Calluaud D., David L. 2014. Spectral analysis of ship waves in deep water from accurate measurements of the free surface elevation by optical methods, Physics of Fluids, vol.26 - 122101. DOI: 10.1063/1.4902415

 

    • Ecohydraulique (D. Calluaud, L. Chatellier, L. David, G. Pineau)

doctorants: A. Ballu (2014-2017), F. Lemkecher (2017-2020), AF. Lejeune (2020-)

 

Cette activité porte sur la restauration de la continuité écologique des cours d’eau. Elle se concentre sur la définition de solutions afin de limiter les impacts des ouvrages (seuils et usines hydroélectriques) sur le déplacement et la survie des poissons. Elle est en partenariat avec l’Office Français de la Biodiversité (OFB) et les gestionnaires d’ouvrages ou exploitant (VNF, France-HYDRO et EDF). Cette activité s’appuie sur un programme Européen H2020 FITHYDRO et très récemment sur une collaboration via un accord cadre de Pôle R&D d’écohydraulique entre l'OFB, l'IMFT et Pprime. Son principal objectif est l’amélioration des dispositifs de montaison et de dévalaison au droit des ouvrages en étudiant la turbulence et en proposant des modélisations simplifiées des ouvrages comme outils d’aide à la décision.

Pour la partie dévalaison, les études ont concerné le développement d’un modèle numérique sous OPENFOAM permettant de remplacer des grilles de prise d’eau par des objets poreux plus simples pour la modélisation 3D des centrales. Des mesures en laboratoire et de terrain ont permis de valider des formes de barreaux introduisant peu de pertes de charges. Une modélisation empirique a été proposée pour la modélisation des pertes de charges tenant compte de différents paramètres comme la forme des barreaux (Thèse de F. Lemkecher - 2020).

 

Simulation d’un plan de grille orienté à barreaux verticaux et courantologie devant les exutoires.

 

Pour la montaison, des améliorations de la franchissabilité des passes à poissons à fentes verticales ont été étudiées afin d’en améliorer les conditions hydrodynamiques dans le cadre de la thèse d’A. Ballu (2017). Les effets de l’ajout d’éléments tels que des seuils et des rugosités de fond ont été analysés à partir de données expérimentales et de simulations numériques. Une validation biologique à partir de suivis de poissons en fluvarium a été réalisée. Dans le cadre du pôle Ecohydraulique, le transport sédimentaire est abordé pour comprendre la remise en suspension des sédiments cohésifs dans les réservoirs et proposer des solutions de management du sédiment autour des ouvrages.

Lignes de courant issues du champ moyen de vitesse de l’écoulement au sein d’une passe à poissons à fentes verticales (a) Radier lisse – (b) Radier avec macro-rugosités

 

Références:
Lemkecher, F., Chatellier, L., Courret, D., David, L., 2020. Contribution of different elements of inclined trash racks to head losses modelling, Water 12(966), 2020, doi:10.3390/w12040966

 

Ballu, A., Pineau, G., Calluaud, D., and David, L. 2019. Experimental-Based Methodology to Improve the Design of Vertical Slot Fishways, Journal of Hydraulic Engineering 145. 2019, doi:10.1061/(ASCE)HY.1943-7900.0001621

 

Ballu, A., Calluaud, D., Pineau, G., and David, L., 2017. Experimental study of the influence of macro-roughnesses on Vertical Slot Fishway flow,La Houille Blanche, n° 2, p. 9-14., doi:10.1051/lhb/2017011

 

Cette activité porte sur l’étude des écoulements instationnaires autour de profils, abordée sous formes fondamentales et appliquées. L’étude des interactions entre solides et fluides permet de comprendre l’optimisation du mouvement comme sur les ailes battantes ou la propulsion pour les nageurs ou encore l’utilisation de la déformation des matériaux pour améliorer la propulsion, augmenter la récupération d’énergie ou l’absorption des ondes et courants.

 

  • Vol en sustentation (F. Pons, L. David, T. Jardin, N. Gourdain)

doctorants: D. Diaz (2017-2020), T. Tronchin (2010-2013), T. Jardin (2006-2009),

 

Dans le cadre de la thèse de D. Diaz (2020), un problème d’optimisation à plusieurs paramètres (vitesse, accélération, amplitude, angle de rotation et de révolution) a été étudié d’un point de vue numérique avec des simulations DNS pour optimiser les lois de mouvement pour augmenter la sustentation dans le cadre de vol stationnaire. L’ajout de la déformation du profil augmente les degrés de liberté qui permettent de modifier les lois de mouvement. Une confrontation calcul expérience est nécessaire pour conforter les résultats. Ce travail est réalisé dans le cadre d’une collaboration avec l’ISAE-Supaéro et d’un projet européen H2020 Homer.

 

Structures tourbillonnaires obtenues par expériences (gauche) et par calcul (droite) dans le cas d’une aile battante.

Références:
Diaz D., David L., Pons F., Jardin T., Gourdain N., 2019. Study of flapping wings to identify best performance conditions. Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering, Volume 22, 2019 - Issue sup1 – S15-S17
D. Diaz, L. David, F.Pons, T. Jardin And N. Gourdain, 2021: Impulsive start-up of a deformable flapping wing at different angular conditions. Fluid-Structure-Sound Interactions and Control. Proceedings of the 5th Symposium on Fluid-Structure-Sound Interactions and Control. Springer Book. Editors: Braza, M., Hoarau, Y., Zhou, Y., Lucey, A.D., Huang, L., Stavroulakis, G.E. (Eds.) ISBN 978-981-334-959-9.

 

  • Interaction dynamique du fluide et de la structure (L. Chatellier, L. Thomas, L. David, B. Tremblais)

doctorants: G. Acher (2015-2019)

post-docs: F. Salmon, H. Laeuffer

 

Dans le projet Homer et pour les dispositifs de récupération d’énergie, on étudie des profils déformables dans des écoulements turbulents pour ensuite les soumettre à des forçages cycliques de différentes formes. Ces couplages entre la déformation du profil et les mouvements permettent de maintenir une forte portance tout en réduisant la traînée de plus de 20%. Un protocole de simulation numérique des interactions fluide-structure a été mis en place dans les post-docs de H. Laeuffer et F. Salmon. Ce projet fait également l’objet d’une collaboration avec les équipes de Pprime spécialisées dans les matériaux innovants (ENDO) et la photomécanique (PEM), afin de qualifier et prédire le comportement des matériaux destinés à être soumis aux interactions fluide-structure. Dans l’ANR Dyneol, la déformation des pales lors de la rotation est aussi étudiée expérimentalement et confrontée à un code de calcul Yales développé par le CORIA et le LEGI prenant en compte ces phénomènes.

Montage expérimental pour les mesures LPT et DIC simultanées d’une aile en sollicitation cyclique.

 

Références:
Acher G., Thomas L., Tremblais T., Gomit G., Chatellier l., David L., 2019. Simultaneous measurements of flow velocity using Tomo-PIV and deformation of a flexible wing. 13th International Symposium on Particle Image Velocimetry-ISPIV19, Munich, Germany, July 22-24, 2019.

 

  • Amortissement par des structures flexibles (G. Pineau, D. Chatellier, D. Calluaud, L. David)

doctorants: T. Larrieu (2018-)

 

La flexibilité des structures est utilisée dans les problèmes d’éco-hydraulique et de transport fluvial pour atténuer l’énergie cinétique dans les canaux ou les passes à poisson et pour réduire l’impact des ondes de batillage sur les berges. Dans le cadre de la thèse de T. Larrieu (2021), ce travail consiste à étudier d’un point de vue analytique, expérimental et numérique la capacité d’atténuation de réseaux de réseaux de cylindres flexibles.

Faisceau de cylindre flexible dans un écoulement.

Références:
T. Larrieu, G. Pineau, D. Calluaud., L. David, 2020. Experimental results and modelling of pressure loss generated by flexible structures placed in a turbulent flow. Riverflow, July 2020, Delft, The Netherlands.

 

  • Vibrations au passage d’un coude (L. Chatellier, L. David)

doctorants: A. Baramili (2014-2017)

 

Dans le cadre de la thèse CIFRE d’A. Baramili (2017) sur l’établissement d’interactions structures fluides en conduite coudée, un travail expérimental a permis la caractérisation de phénomènes fluides instationnaires liés à l’apparition de vibrations structurelles dans la conduite. Dans ce cadre, nous avons proposé une méthode originale de couplage unidirectionnel basée sur une modélisation réduite de l’écoulement et une estimation stochastique de la pression. Cette approche a permis de restituer numériquement une partie des vibrations.

 

Modélisation réduite de l’écoulement turbulent dans un coude.

Références:
A. Baramili, L. Chatellier, L. David and L. Ancian, 2018: Prediction of elbow flow dynamics using correlated wall pressure data. ASME 2018 Pressure Vessels and Piping Conference– 15-20 juillet, Prague, Czech Republic. Paper No. PVP2018-84712, pp. V004T04A013; 10 pages

 

  • Etude de plancher filtrant (M. Ba, L. David)

doctorants: C. Vitteau (2020-)

 

Une collaboration industrielle a débuté avec la société Aqseptence et l’équipe ENDO pour étudier les chargements hydrodynamiques de filtre gravitaire lors de des différentes phases de fonctionnement. Ce travail expérimental et numérique nécessite une étude mono puis diphasique des écoulements. Les approches sont numériques et expérimentales.

 

Références:
Vitteau C., Ba M., David L., Vulliez E, 2020 : Application de la modélisation numérique 3d au diagnostic hydraulique d’un filtre a media gravitaire. JIE, Poitiers.

 

  • Actions sur un bras de nageur (M. Samson, T. Monet, L. David, A. Bernard)

doctorants: M. Samson (2013-2016)

 

Avec l’équipe ROBIOSS de Pprime, une action a été entreprise sur la natation dans le cadre de la thèse de M. Samson (2016). Des mesures sur différents nageurs de niveau national ont permis d’extraire la cinématique du mouvement des bras lors de la nage du crawl et d’identifier les mouvements les plus efficaces en terme de propulsion. Des mesures de force et de vitesse par PIV ont été réalisées dans le bassin des carènes pour valider des simulations URANS faites pour le cycle complet de mouvement de l’avant-bras du nageur. Cette action se poursuit au travers d’une ACI Pprime (2019-2020) sur des mesures autour d’un bras motorisé de nageur et d’une action sur la performance des nageurs dans le cadre d’un PIA « Sport de très haute performance » appelée D-Day (2020-2024) pour la préparation des JO de Paris 2024.

 

Références:
Samson M., Monnet T., Bernard A., Lacouture P., David L., 2018: Analysis of a swimmer’s hand and forearm in unsteady flow conditions using computational fluid dynamics. Journal of Biomechanics, 67, 157–165.
Samson M., Monnet T., Bernard A., Lacouture P., David L., 2019: Comparative study between fully tethered and real swimming at different paces of swimming, in front crawl. Sport Biomechanics, Volume 18, - Issue 6, Pages 571-586

 

  • Hydrolienne Darrieus (L. Chatellier, F. Pons, M. Ba, L. Thomas)

doctorants: J.M.R. Gorle (2011-2015), M.-L. Kara-Mostefa (2017-2021)

collaborations: CORIA, LEGI, LMFL

 

Les activités scientifiques de l’équipe HydEE sur le thème de la récupération d’énergie se sont articulées autour d’un prototype d’hydroliennes à axe transverse de type Darrieus en H privée de mât central. Le travail de Thèse de J.M.R Gorle (2015) sur ce rotor a permis l’identification de régimes de fonctionnement pour lesquels l’écoulement autour des pales n’est régi que par la cinématique de la turbine. Ainsi, la dynamique propre aux interactions entre les pales et les tourbillons émis par décrochage dynamique a pu être identifiée.

 

Sur la base d’analyses théoriques basées sur la conservation de la circulation, un concept de turbine à pales mobiles a été conçu à partir du prototype existant et testé tout d’abord numériquement, puis expérimentalement. Le choix de lois de commande de pales permettant de respecter la conservation de la circulation au cours de demi-cycles de fonctionnement a permis d’optimiser le rendement de la turbine tout en minimisant les émissions tourbillonnaires dans son sillage.

 

 

 

 

 

Champs de vorticité générés par une turbine Darrieus en H à pales fixes (en haut) et mobiles avec conservation de la circulation (en bas)

 

Un second prototype muni de pales à bouts libres est étudié dans le cadre de l’ANR Dyneol avec l’objectif de caractériser la réponse d’une hydrolienne dont les pales déformables sont soumise à des cycles d’interactions fluide-structure (Thèse de M.-L. Kara-Mostefa).

 

  • Récupérateur d’énergie oscillant (L. Chatellier, F. Pons, M. Ba)

doctorants: S. Costa (2015-2019)

 

En prolongement de l’étude sur l’optimisation des performances d’une turbine à l’aide de lois cinématiques, un concept de récupérateur d’énergie oscillant a été élaboré au cours de la thèse de S. Costa (2019). Le phénomène de flottement aéro/hydro-dynamique y est mis à profit afin de générer les oscillations auto-entretenues d’un profil bi-articulé. Une méthodologie analytique couplée à des simulations numériques a permis de caractériser les régimes d’oscillations propices à l’extraction d’énergie. Un démonstrateur expérimental est en cours de réalisation pour le projet H2020 HOMER.

Simulation du cycle de fonctionnement d’un récupérateur d’énergie oscillant bi-articulé.

Références :
Thèses
Kara-Mostefa, M.-L., Etude de pales d’hydroliennes soumise à des interactions Fluide-Structure, Thèse de l’Université de Poitiers (1998-2021).
Costa, S., Développement d’un récupérateur d’énergie oscillant, Thèse de l’Ecole Nationale Supérieure de Mécanique et d'Aérotechnique soutenue le 17 Juillet 2019.
Gorle, J. M. R., Development of Circulation Controlled Blade Pitching Laws for Low-Velocity Darrieus Turbine. Thèse de l’Ecole Nationale Supérieure de Mécanique et d'Aérotechnique soutenue le 18 Novembre 2015.

Articles
Gorle, J. M. R., Chatellier, L., Pons, F., & Ba, M., Modulated circulation control around the blades of a vertical axis hydrokinetic turbine for flow control and improved performance, Renewable & Sustainable Energy Reviews 105:363:377, 2019.
Gorle, J. M. R., Chatellier, L., Pons, F., & Ba, M.,Operation of Darrieus Turbines in Constant Circulation Framework, Physics of Fluids (29:7), Physics of Fluids, 2017.
Gorle, J. M. R., Chatellier, L. Pons, F. & Ba, M., Flow and performance analysis of H-Darrieus hydroturbine in a confined flow: A computational and experimental study. Journal of Fluids and Structures, 66:382-402, 2016.

Conférences
Kara-Mostefa, M.-L., Chatellier, L., Thomas, L., Étude de pales d’hydroliennes soumises à des interactions Fluide-Structure, 17èmes Journées De L'hydrodynamique, Cherbourg - 24-26 novembre, 2020.
Chatellier, L., Gorle, J. M. R., Pons, F., & Ba, M., Experimental Investigations of a Controlled-Circulation Darrieus Turbine, 19th International Symposium on Applications of Laser and Imaging Techniques to Fluid Mechanics, Lisbon, Portugal, 16th-19th July, 2018.
Chatellier, L., Gorle, J. M. ., Pons, F., & Ba, M., Towing Tank Testing of a Controlled-Circulation Darrieus Turbine, RENEW2018 - 3rd International Conference on Renewable Energies Offshore, 8 - 10 October, Lisbon, Portugal, 2018.
Chatellier, L., Gorle, J.M.R., Pons, F., Ba, M., Essais en bassin d'une turbine Darrieus à circulation contrôlée, 16èmes Journées De L'hydrodynamique, Marseille - 27-29 novembre, 2018.
Costa, S., Chatellier, L., Pons, F., & Ba, M., Développement d'un récupérateur d'énergie hydro-élastique, 16èmes Journées De L'hydrodynamique, Marseille - 27-29 novembre, 2018.
Costa, S., Chatellier, L., Pons, F., & Ba, M. 2018,Parametric Design of a Hydro-Elastic Energy Harvester, RENEW2018 - 3rd International Conference on Renewable Energies Offshore, 8 - 10 October, Lisbon, Portugal, 2018.

 

  • Ressaut hydraulique mobile (L. Thomas, L. Chatellier, L. David, D. Calluaud, G. Rousseaux, A. Beaudoin)

doctorants: Y. Satria-Putra (2014-2018), A. Berchet (2011-2014)

 

Cet écoulement naturel, résultant de l’interaction onde-courant, est important d’un point de vue de la dynamique des écosystèmes des cours d’eau. Le passage d’un mascaret (onde qui remonte les cours d’eau lors des grandes marées) provoque une forte mobilisation des sédiments présents sur le lit des cours d’eau, mais également sur les berges. Cette modification des conditions d’écoulement a de profondes conséquences sur l’alimentation et la reproduction de la faune sous-marine. Dans le cadre de l’ANR MASCARET, nous avons reproduit un écoulement de ce type dans un canal hydraulique dédié. Un ressaut hydraulique en translation vers l’amont d’un écoulement principal, est généré en fermant de manière contrôlée une guillotine. L’influence des conditions de génération ainsi que de l’état de la couche-limite a été étudiée pour montrer que pour un même état de surface-libre, l’écoulement sous la surface peut être très différent. Par ailleurs, la dynamique de l’écoulement sous la surface est très riche. Les ressauts qui commencent à déferler présentent une instabilité de la couche cisaillée sous la surface qui génèrent des structures cohérentes qui envahissent l’écoulement dans son ensemble. Ces structures cohérentes sont clairement visualisées à l’aide des champs de FTLE (Finite Time Lyapunov Exponent).

 

Champ moyen de vitesse verticale sous un ressaut hydraulique mobile pour un nombre de Froude de 1,5.

Instabilité déclenchée au passage du front d'un ressaut hydraulique en translation à Fr=1,5. Structures cohérentes Lagrangiennes mises en relief par les FTLE à temps positif (en rouge), les FTLE à temps négatif (en bleu), la rotation moyenne le long des trajectoires (en jaune (+) et vert (-)).

Transport sédimentaire

Ces activités de recherche concernent l’étude du transport sédimentaire en s’appuyant sur la compréhension des processus hydrodynamiques et des caractéristiques des sédiments à une échelle locale. Basée sur cette approche, la remobilisation de sédiments liée à la navigation ou au passage d’un mascaret est étudiée. Les activités en lien avec la continuité écologique des cours d’eau sont soutenues par le Pôle Eco-hydraulique.

 

 

 

 

Déstabilisation d'un lit sédimentaire après le passage d'un tourbillon isolé d'axe vertical.

 

  • Caractérisation rhéologique des sédiments cohésifs (S. Jarny, G. Gomit)

doctorants: 

 

La rhéologie des sédiments cohésifs est influencée par de nombreux paramètres. En effet, les liaisons interparticulaires varient avec les conditions électro-chimico-physiques du matériau : la salinité, la composition minéralogique, la quantité et la nature de la matière organique, le pH, la composition granulométrique... L’étude rhéologique de ces sédiments est donc d’autant plus complexe que dans un écosystème variant dynamiquement (fleuve, estuaire) la rhéologie des sédiments change continuellement. Cette caractérisation est essentielle afin de paramétrer les modélisations hydrodynamiques et morphodynamiques.

 

 

Cette partie repose sur la plateforme "SPI : mesures des propriétés rhéologiques des matériaux" dans laquelle sont intégrés des outils de caractérisation rhéologique et granulométrique. Cette activité s’appuie notamment sur un projet ANR Franco-québécois EMPHASE qui vise à mieux caractériser l’érosion des berges par la navigation et pour lequel une caractérisation des sédiments (granulométrie, rhéologie ...) de la Garonne tidale est réalisée.

 

  • Erosion de sédiments cohésifs modèles (G. Gomit, S. Jarny, L. Thomas)

doctorants: P. Lecostey (2019-), Z. Tarhini (2013-2016)

 

Dans le cadre de la thèse Z. Tarhini, des sédiments modèles transparents ont réalisés en se basant sur les propriétés rhéologiques des sédiments naturels. Pour cela, différents mélanges, à base de Laponite et de carboxy-méthyl-cellulose, ont été testés en faisant varier la concentration et le mode de fabrication. Ces travaux ont permis de modéliser certaines propriétés rhéologiques de ces matériaux pour différentes concentrations de suspension, notamment la contrainte seuil. L’étude en érosion de ces sédiments modèles couplée avec des mesures locales (PIV) a permis a permis de comparer les contraintes à l’interface à celles obtenues dans le sédiment via la loi rhéologique.

Ces travaux se poursuivent au travers de la thèse de Pierre Lecostey (2019-2022) afin de conduire à une analyse locale visant à relier les propriétés rhéologiques du sédiment aux contraintes hydrodynamiques dans le processus d’érosion.

 

Reférences :

Tarhini Z., (2016). Étude couplée rhéométrie-hydrodynamique et application à l'érodabilité locale d'un sédiment cohésif modèle. Thèse de l’université de Poitiers

 

  • mélange (L. Thomas)

doctorants:

 

Le transport à grande échelle de particules, fluides ou solides, est régi par des structures cohérentes qui peuvent les piéger ou alors les disperser. L'existence de ces structures est importante pour comprendre les problèmes de vidange de réservoir ou de mélange au sein de confluences. A partir des champs de vitesse, l'analyse des structures cohérentes permettra d'optimiser le transport des particules.

 

 

  • Entraînement (L. Thomas, L.David)

doctorants: R. Vernet (2007-2010)

 

L’entraînement dans ces écoulements ouverts a pu être étudié également expérimentalement grâce a des mesures volumiques couplées (VLIF/PIV3D à balayage). L'enveloppe du jet a pu être extraite des mesures de concentration, et les flux de matière qui traversent cette enveloppe ont pu être calculés.

 

Jet en écoulement transverse. Re=500, R=1. En gris clair: enveloppe du jet, coloré par le flux de concentration. A l'intérieur, iso-surfaces de critère Q en bleu clair. Sur les bords, champs de concentration. 6 vues différentes.

 

Références:

A. Berchet, L. Thomas, P. Braud L., David, L., Instantaneous volumic concentration and velocity measurements of a jet in crossflow for the evaluation of the entrainment, Experiments in Fluids, 2013, vol 52(12), doi:10.1007/s00348-013-1608-1

 

  • Déstabilisation de lits sédimentaires (D. Calluaud, G. Pineau, L. Thomas, G. Gomit)

doctorants: Y. Devaux (2015-2018)

 

L'interaction entre un lit de particules et un écoulement cisaillé présente un intérêt tant dans le domaine industriel que dans le domaine environnemental. Dans ce dernier, cette interaction domine le transport de particules sédimentaires dans les rivières ou en milieux côtiers et estuariens. Ce transport donne souvent lieu à la formation de structures sédimentaires comme les rides et les dunes qui jouent un rôle déterminant dans le mouvement des sédiments. Une des questions au cœur de ces écoulements est liée aux mécanismes d'interaction entre les particules et l'écoulement. Ce couplage est engendré au niveau de l’écoulement moyen, de la forme et la composition de la dune mais aussi au niveau de la macro turbulence et des structures tourbillonnaires instationnaires générées par la présence même des formes morphologiques ou de phénomènes intenses comme peuvent l’être le passage d’une onde de type mascaret, des ondes de batillage ou une variation rapide de débit rapide due à une crue. L'objectif de la thèse de Yann Devaux était d'étudier expérimentalement la réceptivité d’un lit sédimentaire, initialement plat, à des perturbations hydrodynamiques.

 

Envol de particules soulevées par le passage d'un tourbillon.

 

 

Le lit sédimentaire était placé dans le canal hydro-sédimentaire de l'Institut P', où il subissait une perturbation par le passage d'un tourbillon unique, à axe vertical ou horizontal. La déformation engendrée initialisait alors le mouvement de certaines particules, et générait dunes et rides. Différentes conditions de turbulence de l'écoulement de base ont été étudiées, ainsi que diverses caractéristiques du tourbillon (éloignement du lit sédimentaire, sens de rotation…). Des méthodes optiques comme la PIV (Particle Image Velocimetry) ou la PTV (Particle Tracking Velocimetry) ont permis d'étudier conjointement la structure de l'écoulement et la mise en transport des sédiments. Une approche numérique CFD-DEM basée sur le logiciel OpenFOAM est venue compléter cette étude.

Simulation numérique du passage d'un tourbillon isolé d'axe vertical au-dessus d'un lit sédimentaire à l'aide d'une technique couplée CFD-DEM.

Références:

Y. Devaux, L. Thomas, D. Calluaud, and G. Pineau. Isolated columnar vortex generation: influence of momentum impulsion characteristics and wall roughness. Fluid Dynamics Research, 52(2) :025511, may 2020. doi:10.1088/1873-7005/ab7ebf

Y. Devaux, L. Thomas, D. Calluaud, and G. Pineau. Sediment bed destabilization by an isolated vortex: an experimental approach. In press, Journal of Hydrodynamics, 2021.

Outils de traitement et d'analyse et de simulation de données: utilisation et développement

L'équipe est fortement impliquée dans le développement de méthodes de mesure optiques innovantes et d'outils d'analyse de données avancées. Elle utilise également des outils avancés d'analyse de traitement de données et des codes numériques tels que StarCCM+, openfoam, sedifoam.

 

 

 

  • Mesures de vitesse (L. Thomas, L. David, G. Gomit, L. Chatellier, B. Tremblais, B. Lecordier)

doctorants: G. Acher (2015-2019), R. Ben-Salah (2011-2015)

post-docs: T. Earl, YJ. Jeong

 

De nombreuses techniques de mesure ont été développées dans l'équipe pour mesurer des vitesses, que ce soit deux composantes de la vitesse dans un plan (PIV), les trois composantes de la vitesse dans un plan (stéréoPIV) ou dans un volume (tomoPIV) ou bien des mesures résolues en temps qui permettent de rendre plus robustes les mesures en exploitant les trajectoires des particules (FTEE, LPT). Les techniques 3D permettent de mieux comprendre la structuration des écoulements en donnant accès notamment au tenseur des gradients de vitesse. De plus, l'obtention des trajectoires fluides permettent de faire directement des analyses Lagrangiennes des écoulements.

Principe de la tomoPIV.

Écoulement autour d'un profil d'aile en incidence: champ de pression et critère Q obtenus à partir des mesures de vitesse par tomoPIV résolue en temps.

Références:

Acher, Gwenaël & Thomas, Lionel & Tremblais, Benoit & Gomit, Guillaume & Chatellier, Ludovic & David, Laurent. (2019). Simultaneous measurements of flow velocity  using Tomo-PIV and deformation of a flexible wing.

Jeon, Y.J., Chatellier, L. & David, L. Fluid trajectory evaluation based on an ensemble-averaged cross-correlation in time-resolved PIV. Exp Fluids 55, 1766 (2014). 10.1007/s00348-014-1766-9

R. Ben Salah, O. Alata, B. Tremblais, L. Thomas, and L. David. Tomographic Reconstruction of 3d Objects Using Marked Point Process Framework. Journal of Mathematical Imaging and Vision, 60(7) :1132–1149, mar 2018.

F Martins, J.M. Foucaut, L. Thomas, L. Azevedo, and M. Stanislas. Volume reconstruction optimization for tomo-PIV algorithms applied to experimental data. Measurement Science and Technology, 26(8) :085202, August 2015.

T. A. Earl, S. Cochard, L. Thomas, B. Tremblais, and L. David. Implementation of vibration correction schemes to the evaluation of a turbulent flow in an open channel by tomographic particle image velocimetry. Measurement Science and Technology, 26(1) :015303, 2015.

L. Thomas, B. Tremblais, and L. David. Optimization of the volume reconstruction for classical tomo-piv algorithms (mart, bimart and smart) : synthetic and experimental studies. Measurement Science and Technology, 25(3) :035303, 2014.

G. Acher, L. Thomas, B. Tremblais, G. Gomit, L. Chatellier, and L. David. Simultaneous measurements of flow velocity using tomo-piv and deformation of a flexible wing. In Christian J. Kähler, Rainer Hain, Sven Scharnowski, and Thomas Fuchs, editors, Proceedings of the 13th International Symposium on Particle Image Velocimetry, Munich, 2019.

G. Acher, L. Thomas, B. Tremblais, and L. David. A new camera model combining a pinhole model and a discrete correction to overcome refractive index variation challenges. In 19th International Symposium on Applications of Laser Techniques to Fluid Mechanics, Lisbon, Portugal, 15-18 july 2018.

 

  • Mesures de surface (G. Gomit, L. Chatellier, L. David, D. Calluaud, L. Thomas)

doctorants: N. Prouteau (2020-), C. Caplier (2012-2015)

 

Différentes méthodes de mesure de surface libre par moyens optiques ont été développées. Ces méthodes s'appuient sur de la stéréo-corrélation, sur de la projection de motifs (frange) ou sur de la stéréo-réfraction. Elles permettent d'obtenir une mesure tridimensionnelle précise de façon non-intrusive sur un champ étendu et avec une résolution élevée. Ces méthodes ont notamment été appliquées à la mesure d'ondes de batillage, à la surface d'un mascaret ou encore à la reconstruction tridimensionnelle d'un lit sédimentaire.

 

  • Calcul de pression (L. David, G. Gomit, F. Pons, B. Tremblais)

doctorants: G. Acher (2015-2019)

post-doctorants: YJ. Jeong

 

Plusieurs techniques de calcul de pression et des efforts à partir de champs d'accélération ont été développées. Des algorithmes utilisant de la régularisation ou non, par résolution d'une équation de Poisson ou intégration par zones, basés sur des bases de polynômes orthogonaux, ... ont été testés et validés.

A gauche, champ de vitesse tridimensionnelle et structures tourbillonnaires, à droite, champ de pression reconstruit.

Références:

Jeon, Young & Gomit, Guillaume & Earl, Thomas & Chatellier, Ludovic & David, Laurent. (2018). Sequential least-square reconstruction of instantaneous pressure field around a body from TR-PIV. Experiments in Fluids. 59. 10.1007/s00348-018-2489-0.

Tronchin, Thibaut & David, Laurent & Farcy, Alain. (2015). Evaluation of pressure field and fluid forces for 3D flow around flapping wing. Experiments in Fluids. 56. 16. 10.1007/s00348-014-1870-x.

  • Structures Cohérentes Eulériennes et Lagrangiennes (L. Thomas, F. Pons, M. Ba)

doctorants: Y. Hussein (2011-2015)

 

La notion de structure cohérente en mécanique des fluides a toujours été source de débats. Récemment, les travaux de G. Haller notamment, ont fait apparaître la notion de structure cohérente Lagrangienne. De façon simplifiée, elles sont notamment classées sous forme de structures elliptiques (région où un ensemble de particules restent dans un même voisinage au cours du temps), hyperboliques (région où des particules se séparent ou se rassemblent de façon exponentielle), paraboliques (régions où des particules se séparent linéairement). L'analyse de ces structures permet de faire ressortir des évènements complexes dans un écoulement, en tenant compte d'un horizon fini.

 

Visualisation de structures cohérentes Lagrangiennes dans un écoulement au passage du front d'un mascaret. En rouge: FTLE à temps positif, en bleu: FTLE à temps négatif, en jaune: rotation moyenne en sens horaire, en vert: rotation moyenne en sens anti-horaire.

 

Les structures cohérentes Eulériennes sont les limites des structures cohérentes Lagrangiennes pour un horizon tendant vers zéro. Les plus utilisées concernent la détection de tourbillons. Les critères Q ou λ2 sont très utilisés, mais on peut utiliser aussi le Rortex ou IAVD (déviation instantanée par rapport à la vorticité moyenne).

Exemple de structures cohérentes Eulériennes en 3D détectées dans un jet en écoulement transverse (R=1, Re=500): en haut, différentes vues d'une iso-surface de concentration à 0,7; en bas, iso-surface de Rortex (en rouge) et concentration (iso-contours plans).

 

Références:

L. Thomas and L. David. Eulerian and Lagrangian coherent structures in a positive surge. In
preparation for Experiment in Fluids, 2021.

Berchet, Adrien & Thomas, Lionel & Braud, Patrick & David, Laurent. (2013). Instantaneous volumic concentration and velocity measurements of a jet in crossflow for the evaluation of the entrainment. Experiments in Fluids. 54. 1-12. 10.1007/s00348-013-1608-1.

 

  • Assimilation de données par filtrage stochastique sur modèles d’ordre réduit et couplage calcul-expérience (L. Chatellier, L. David, F. Pons)

doctorants: R. Leroux (2018-2012), H. Bonnard (2019-2022)

post-doctorants: H. Laeuffer (2018-2020), F. Salmon (2019-2020)

collaborations : T. Suzuki (Boeing)

 

Les possibilités d’assimilation de données appliquée aux écoulements instationnaires autour de profils portants fixes, déformables ou en mouvement sont abordées à travers le filtrage stochastique (filtres de Kalman) et les couplages entre simulation numérique et mesures optiques. Les couplages entre déformations de solides et mouvements de fluides sont également abordés dans le cadre d’études sur les interactions Fluide-Structure. Ces études visent à permettre un enrichissement objectif des données modélisées, simulées et mesurées tenant compte des incertitudes propres à chaque méthode.

Reconstruction et prédiction de la dynamique de l’écoulement à Re=1000 autour d’un profil NACA0012 par filtrage de Kalman d’ensemble et algorithme EM appliqués à un modèle réduit POD

Simulation hybride (a) de l’écoulement autour du profil NACA0012 mesuré par PIV (b)

Estimation du champ de pression par simulation hybride (a) et reconstruction séquentielle basée PIV (b)

Références:

Leroux, Romain & Chatellier, Ludovic & David, Laurent. (2014). Bayesian inference applied to spatio-temporal reconstruction of flows around a NACA0012 airfoil. Experiments in Fluids. 55. 1699. 10.1007/s00348-014-1699-3

Leroux, Romain & Chatellier, Ludovic & David, Laurent. (2017). Time-resolved flow reconstruction with indirect measurements using regression models and Kalman-filtered POD ROM. Experiments in Fluids. 59. 10.1007/s00348-017-2455-2

Suzuki, T., Chatellier, L., Jeon, Y. J., and David, L. (2018). Unsteady Pressure Estimation and Compensation Capabilities of the Hybrid Simulation Combining PIV and DNS, Measurement Science and Technology (29:12) 10.1088/1361-6501/aae6b7

Laeuffer, H., Diaz, D., Dupré, J.-C., Doumalin, P., Grandidier, J.-C., Gigliotti, M., Pons, F., David, L., and Chatellier, L. (2020). “Addressing the Aero-Elasticity Problem for MAVs,” in 10th EASN Virtual International Conference on “Innovation in Aviation & Space to the Satisfaction of the European Citizens”, 2 - 4 Sept.

Suzuki, T., Chatellier, L., and David, L. (2020). “A Few Techniques to Improve Data-Driven Reduced-Order Simulations for Unsteady Flows,”, Computers and Fluids 201(104455), pp. 1–17. 10.1016/j.compfluid.2020.104455

 

  • StarCCM+ (D. Calluaud, G. Pineau)

doctorants: AF. Lejeune (2020-), T. Larrieu ()

 

Le logiciel STARCCM+ est utilisé pour simuler des écoulements complexes avec surface libre et/ou interactions fluide/structures.

Simulation URANS d'une passe à poissons à double fentes verticales (à l'échelle 1/6. Norme de la vitesse moyenne dans un plan parallèle au radier (ie une pente à 4 % dans cette simulation).

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