Typologie d'emplois : Thèses

Data-driven modelling and model predictive control of turbulent flow

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

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

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

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

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

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

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

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

Crystal Plasticity Modeling of the Mechanical behavior under cyclic loading of a stainless steel submitted to ratcheting

The aim of this thesis is to understand and model the ratcheting phenomenon by implementing a full-field numerical simulation approach, using the finite element method, of the mechanical response of polycrystalline aggregates under cyclic loading. In this context, the description of local behavior, at the grain scale, will be based on constitutive equations of crystal plasticity (or visco-plasticity) type, including non-linear isotropic and/or kinematic hardening formulated in terms of dislocation density. Particular attention will be paid to the description of latent hardening.This work will involve, among other things, implementing the numerical integration scheme of the local behavior law within the finite element solver used (Abaqus, Zset or Foxtrot – Academic code developed in-house, etc.) by developing user subroutines or using suitable free libraries (M-Front, https://tfel.sourceforge.net). The implementation of full-field calculations will require the use of parallel computing, performed on a regional cluster.
The model material chosen for this study is an austenitic stainless steel, whose cyclic behavior is well documented. To define the simulated configurations (loading, material parameters) and analyze the results, the PhD student will have the possibility of drawing on data from tests carried out in the laboratory, notably through regular collaborations with industrial partners in the nuclear power sector. (EDF, Framatome). If necessary, additional targeted mechanical tests can be carried out during this thesis. These may be accompanied by microstructural characterization at the grain and sliding system scale (Scanning Electron Microscopy, EBSD, in-situ tests). 

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

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