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Les sujets de thèses

Dernière mise à jour : 27-03-2017

6 sujets IRAMIS

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• Matière molle et fluides complexes

 

Dissipation, cascades et singularités en turbulence

SL-DRF-17-0173

Domaine de recherche : Matière molle et fluides complexes
Laboratoire d'accueil :

Service de Physique de l'Etat Condensé (SPEC)

Systèmes Physiques Hors-équilibre, hYdrodynamique, éNergie et compleXes (SPHYNX)

Saclay

Contact :

Bérengère DUBRULLE

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2017

Contact :

Bérengère DUBRULLE

CNRS - DRF/IRAMIS/SPEC/SPHYNX

0169087247

Directeur de thèse :

Bérengère DUBRULLE

CNRS - DRF/IRAMIS/SPEC/SPHYNX

0169087247

Voir aussi : http://iramis.cea.fr/Pisp/berengere.dubrulle/index.html

Voir aussi : http://iramis.cea.fr/spec/sphynx/

La turbulence est un état atteint par la majeure partie des fluides dans des conditions “extrêmes” -fortes vitesses ou températures, grande taille du système-. Elle se manifeste dans de nombreux domaines industriels (turbines), aéronautiques (avions, fusées), géophysiques (atmosphère, océan) ou astrophysiques (étoiles, galaxies). Comprendre les phénomènes de turbulence constitue donc un enjeu scientifique, technologique et économique important. Soumis à une agitation mécanique, un fluide visqueux convertit le travail appliqué en chaleur via un processus complexe: son écoulement se structure en mouvements tourbillonnaires qui se ramifient sur plusieurs échelles allant de la taille du système (océan, lac, récipient,…) à l'échelle la plus fine, fonction de la viscosité. L’énergie injectée dans le fluide est finalement dissipée par effet de viscosité. Depuis près de 80 ans, on décrit ce processus par un modèle de cascade auto-similaire, dû a Kolmogorov. Ce modèle sert de base à presque tous les modèles actuels de turbulence, et permet de reproduire extrêmement bien la majeure partie des grandes échelles des écoulements turbulents. Cependant, ce modèle devient de plus en plus mauvais au fur et à mesure que l'on descend vers les petites échelles, et ne permet pas de comprendre le comportement très intermittent de la dissipation d'énergie. Cela limite considérablement la modélisation des processus impliquant la turbulence à petite échelle, comme la combustion (problème pour simuler les moteurs) ou la condensation de gouttes (problème pour simuler la pluie en météo ou en climat).

Le but de la thèse est de tester une nouvelle description de la cascade d'énergie, basée sur l'hypothèse que la turbulence contient des singularités dans la limite de la viscosité tendant vers zéro. La quête des singularités dans les équations d’Euler ou de Navier-stokes représente un problème bien connu (cf. AMS Millenium Clay Prize), mais les récentes avancées, tant au niveau numérique qu’expérimental, remettent ce problème de nouveau d’actualité. En particulier, notre groupe a récemment mis en évidence, dans un écoulement turbulent de laboratoire, l'existence d'événements intenses de dissipation d'énergie non-visqueuse qui pourraient être associés aux singularités recherchées par les mathématiciens (Saw et al, Nature Communication 7, 12466 (2016)). Ces évènements ne sont pas décrits par le modèle de Kolmogorov, et pourraient servir de base à de nouvelles modélisations plus fidèles à petite échelle.



Nous proposons dans cette thèse une étude détaillée des processus de cascade et de dissipation d'énergie en utilisant le code SFEMaNS, qui sera testé par comparaisons avec les mesures expérimentales. Ce code utilise des éléments finis et une décomposition spectrale ainsi que des méthodes avancées de pénalisation, pour reproduire fidèlement l'expérience de laboratoire utilisée au SPEC

Effets thermoélectriques dans les ferrofluides

SL-DRF-17-0010

Domaine de recherche : Matière molle et fluides complexes
Laboratoire d'accueil :

Service de Physique de l'Etat Condensé (SPEC)

Systèmes Physiques Hors-équilibre, hYdrodynamique, éNergie et compleXes (SPHYNX)

Saclay

Contact :

SAWAKO NAKAMAE

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2017

Contact :

SAWAKO NAKAMAE

CEA - DRF/IRAMIS/SPEC/SPHYNX

0169087538

Directeur de thèse :

SAWAKO NAKAMAE

CEA - DRF/IRAMIS/SPEC/SPHYNX

0169087538

Voir aussi : http://iramis.cea.fr/Pisp/sawako.nakamae/

Voir aussi : http://iramis.cea.fr/spec/SPHYNX

Aujourd’hui, une grande part de l’énergie utilisée dans les processus industriels, entre 20 et 50%, est inutilement perdue en "chaleur fatale" sans être réutilisée. Jusqu’à 60-70% de l’énergie dans les moteurs à combustion interne est tout simplement relâchée dans l’atmosphère. Dans ce contexte, la récupération et la transformation en énergie électrique ou mécanique d’une partie de la chaleur fatale représente un enjeu important pour réduire la consommation globale.



Lorsqu'on chauffe un barreau conducteur à une extrémité, les électrons acquièrent de l'énergie cinétique et diffusent vers la partie froide. Les ions positifs par contre restent immobiles et il en résulte un déséquilibre de charge d'où l'apparition d'un champ électrique et d'un potentiel électrique dV proportionnel à la différence de température dT : dV=-SdT. Le facteur de proportionnalité S est appelé "coefficient Seebeck". Ceci fournit un schéma de principe à la conversion d'énergie thermique en énergie électrique (effet Seebeck) ou réciproquement (effet Peltier). Dans les deux cas, le rendement est une fonction croissante du "facteur de mérite" ZT=(S^2/Rho*Lambda)T où Rho et Lambda désignent respectivement les conductivités électrique et thermique du matériau. L'effet thermoélectrique dans des liquides conducteurs tels que les liquides ioniques, les solutions colloïdales chargées, etc., font l'objet de nombreuses études à cause de leur coefficient Seebeck très élevé. L’origine de la valeur élevée du coefficient Seebeck n’est pas encore complètement comprise. De possibles interprétations sont que le coefficient Seebeck croît avec l'entropie transportée par les ions et par les particules colloïdales chargées et que les macro-ions ou particules colloïdales chargées sont adsorbées à la surface des électrodes en créant un effet de double couche électrique (très élevé, à enlever).



Dans ce stage, nous proposons l'étude expérimentale des propriétés thermoélectriques de fluides complexes (e.g., liquides ioniques, ferrofluides (solutions colloïdales de nanoparticules magnétiques) afin de faire progresser notre compréhension sur l’origine physique de ce phénomène et d’identifier les nouveaux matériaux thermoélectriques dans le domaine du stockage de l'énergie (générateur thermoélectrique et supercondensateurs.). Le travail expérimental fera appel aux techniques de mesure du transport thermoélectrique et électrique, à la mesure de la charge thermoélectrique, à la caractérisation électrochimique (voltamétrie cyclique) ainsi que à l'acquisition automatisée des données et à l’interprétation des mesures.

Etude tridimensionnelle de la déstabilisation des écoulements

SL-DRF-17-0528

Domaine de recherche : Matière molle et fluides complexes
Laboratoire d'accueil :

Service de Physique de l'Etat Condensé (SPEC)

Systèmes Physiques Hors-équilibre, hYdrodynamique, éNergie et compleXes (SPHYNX)

Saclay

Contact :

Gilbert ZALCZER

Romain Monchaux

Date souhaitée pour le début de la thèse :

Contact :

Gilbert ZALCZER

CEA - DRF/IRAMIS/SPEC/SPHYNX

0169083164

Directeur de thèse :

Romain Monchaux

ENSTA Paristech - IMSIA

01.69.31.97.66

Voir aussi : http://iramis.cea.fr/spec/Phocea/Membres/Annuaire/index.php?uid=zalczer

Voir aussi : http://iramis.cea.fr/spec/SPHYNX/

Les écoulements des liquides soumis à une sollicitation ont toujours été un sujet d'étonnement et de fascination, par la diversité des effets observés. Un écoulement simple à faible sollicitation se complique progressivement quand la vitesse augmente, passe par plusieurs transitions avant d'atteindre un état turbulent.



Grâce aux nouvelles techniques d'imagerie rapide et de contrôle de faisceaux laser, il semble désormais possible d'établir de façon "instantanée" des champs des 3 composantes de la vitesse dans l'ensemble du volume d'un écoulement au-delà de la déstabilisation de l'écoulement laminaire. Nous avons déjà réalisé des mesures en volume de 2 composantes de la vitesse, mais même pour l'écoulement de base, la reconstruction d'un champ de vitesses à partir de ces données a été impossible. Des expériences préliminaires ont laissé espérer la possibilité par stéréoscopie de détecter également la troisième composante de la vitesse. Le travail expérimental consistera en un premier temps à regrouper ces éléments techniques en un montage opérationnel puis étudier la large gamme des écoulements perturbés.

Mesures optiques de la dissipation et des flux d’énergie dans des écoulements turbulents

SL-DRF-17-0878

Domaine de recherche : Matière molle et fluides complexes
Laboratoire d'accueil :

Service de Physique de l'Etat Condensé (SPEC)

Systèmes Physiques Hors-équilibre, hYdrodynamique, éNergie et compleXes (SPHYNX)

Saclay

Contact :

Sébastien AUMAÎTRE

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2017

Contact :

Sébastien AUMAÎTRE

CEA - DRF/IRAMIS/SPEC/SPHYNX

01 69 08 74 37

Directeur de thèse :

Sébastien AUMAÎTRE

CEA - DRF/IRAMIS/SPEC/SPHYNX

01 69 08 74 37

Voir aussi : http://iramis.cea.fr/Pisp/sebastien.aumaitre/

Voir aussi : http://iramis.cea.fr/spec/SPHYNX/

L'objectif de cette thèse est d'étudier les fluctuations de puissances dans les écoulements turbulents. Les approches classiques ont déjà montré que la stationnarité des écoulements turbulents, qui impose l'égalité des puissances moyennes injectées à grande échelle et dissipée aux petites échelles, contraint le spectre des vitesses. Mais pour aller au-delà et expliquer la complexité et l'intermittence des écoulements turbulents, on peut s'intéresser aux propriétés statistiques des fluctuations des puissances mises en jeu dans les écoulements. Notamment on peut espérer mettre en évidence les corrélations entre puissance injectée et dissipée qu'impose la stationnarité et explorer leurs conséquences sur la structure de l’écoulement. Le défi expérimental sera d'estimer les fluctuations de puissance dissipée car cela nécessite une mesure fine des gradients de vitesse sur tout le volume de l'écoulement. Pour y parvenir, nous souhaiterions développer des mesures optiques de diffusion multiple couplées à l'acquisition d'image ultra-rapide. On complètera cette méthode innovante avec des mesures plus classiques afin de mesurer simultanément la puissance injectée et de chartériser la structure de l'écoulement.

Migration des additifs au cours de la formation des membranes polymère – analyse expérimentale et numérique des mécanismes de séparation de phase en présence d’additifs

SL-DRF-17-0837

Domaine de recherche : Matière molle et fluides complexes
Laboratoire d'accueil :

Service Nanosciences et Innovation pour les Materiaux, la Biomédecine et l'Energie (NIMBE)

Laboratoire Interdisciplinaire sur l'Organisation Nanométrique et Supramoléculaire (LIONS)

Saclay

Contact :

Patrick GUENOUN

Denis BOUYER

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-11-2017

Contact :

Patrick GUENOUN

CEA - DRF/IRAMIS/NIMBE/LIONS

01-69-08-74-33

Directeur de thèse :

Denis BOUYER

Université Montpellier 2 - IEM, UMR 5635

04 67 14 91 20

Voir aussi : http://iramis.cea.fr/Pisp/patrick.guenoun/index.html

Voir aussi : http://iramis.cea.fr/nimbe/LIONS/

Ce projet de thèse vise à acquérir une meilleure compréhension des phénomènes de structuration des membranes poreuses, via un couplage entre une étude de modélisation numérique et une analyse expérimentale de microscopie optique. Les deux objectifs majeurs du projets consisteront (i) d’une part à mieux prédire la morphologie des membranes en fonction des paramètres du procédé et de la formulation, (ii) et d’autre part à mieux comprendre les phénomènes de migration des additifs utilisés dans l’élaboration des membranes polymères.

La simulation de la séparation de phase sera effectuée en plusieurs étapes à partir du modèle de Cahn et Hilliard (approche simplifiée, intégration des phénomènes diffusifs non linéaires, couplage avec le transport convectif). L’analyse expérimentale sera réalisée par microscopie optique laser confocale ; elle permettra de suivre la répartition d’un additif dans la structure polymère en formation.

En tant qu’outil prédictif, le modèle permettra de définir un jeu de paramètres opératoires idoines en fonction de la morphologie membranaire souhaitée et d’aider à optimiser la quantité d’additifs ajoutée. L’analyse des phénomènes de migration des additifs au cours de la séparation de phase et au sein de la structure membranaire formée permettra de mieux prédire les performances des membranes à moyen et long terme.

Métamateriaux auto-assemblés à base de copolymères à blocs

SL-DRF-17-0814

Domaine de recherche : Matière molle et fluides complexes
Laboratoire d'accueil :

Service Nanosciences et Innovation pour les Materiaux, la Biomédecine et l'Energie (NIMBE)

Laboratoire Interdisciplinaire sur l'Organisation Nanométrique et Supramoléculaire (LIONS)

Saclay

Contact :

Patrick GUENOUN

Virginie PONSINET

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-11-2017

Contact :

Patrick GUENOUN

CEA - DRF/IRAMIS/NIMBE/LIONS

01-69-08-74-33

Directeur de thèse :

Virginie PONSINET

CNRS - Centre de Recherche Paul Pascal (CRPP)

+33(0)5 56 84 56 25

Voir aussi : http://iramis.cea.fr/Pisp/patrick.guenoun/index.html

Voir aussi : http://iramis.cea.fr/nimbe/lions/

Les métamatériaux sont des matériaux "artificiels" qui sont créés pour atteindre des propriétés inaccessibles aux matériaux homogènes naturels. Ainsi en est-il de propriétés optiques comme des indices de réfraction négatifs qui peuvent être atteints par une structuration des métamatériaux à une échelle inférieure à celle de la longueur d’onde de la lumière . Dans ce travail de thèse, nous atteindrons une telle structuration (nanostructuration) en combinant l’auto-assemblage de copolymères sur des surfaces et l’insertion dans cet auto-assemblage de nanoparticules d’or. La matrice de copolymères fournit la nanostructuration à l’échelle et la géométrie voulue tandis que la présence d’or confère les propriétés optiques attendues. Cette thèse en collaboration entre le LIONS au CEA Saclay et le Centre de recherche Paul Pascal à Bordeaux bénéficiera des deux environnements pour mener une étude expérimentale qui consistera à préparer des surfaces, où des phases cylindriques ou bicontinues de copolymères seront orientées perpendiculairement au substrat. Après synthèse au laboratoire et insertion des nanoparticules d’or dans les structures, les propriétés optiques du matériau obtenu seront mesurées et analysées en vue de les modéliser.

 

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