CEA
CNRS
Univ. Paris-Saclay

Service de Physique de l'Etat Condensé

4 sujets /SPEC/SPHYNX

Dernière mise à jour : 11-04-2021


 

Mesures des couches limites et de la dissipation dans les écoulements en surface libre et turbulents

SL-DRF-21-0428

Laboratoire d'accueil :

Service de Physique de l’Etat Condensé (SPEC)

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

Saclay

Contact :

Sébastien AUMAITRE

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-09-2021

Contact :

Sébastien AUMAITRE
CEA - DRF/IRAMIS/SPEC/SPHYNX


Directeur de thèse :

Sébastien AUMAITRE
CEA - DRF/IRAMIS/SPEC/SPHYNX


Page perso : http://iramis.cea.fr/Pisp/sebastien.aumaitre/

Labo : http://iramis.cea.fr/spec/sphynx/

La turbulence s'observe presque partout, du mouvement atmosphérique au déplacement de véhicules et au transport de fluides industriels, et elle reste un sujet intense de recherche fondamentale. En effet, étant hautement non linéaire, les écoulements turbulents ne sont pas entièrement prévisibles en théorie. En outre, ces non-linéarités engendrent de nombreuses échelles de longueur et de temps qui ne permettent pas d'accéder à la complexité de l'écoulement sur une longue période avec les simulations numériques directes. Dans la plupart des cas, les études numériques des écoulements turbulents nécessitent un certain niveau de modélisation avec des paramétrisations ad hoc. C'est pourquoi les expériences restent un élément fondamental pour étudier les turbulences.



Parmi les quantités clés qui méritent une étude intensive dans les écoulements turbulents, on trouve les gradients de vitesse car ils sont impliqués dans les processus dissipatifs, les contraintes de cisaillement et les couches limites. Ils sont en jeu dans divers phénomènes : les interactions structures-écoulement, le transfert d'énergie dans les fluides et les échanges atmosphère-océan... . Cela nous a conduit à développer une nouvelle technique de mesure pour sonder la norme des gradients de vitesse dans les écoulements fluides. Cette méthode optique est basée sur la spectroscopie d'ondes diffusées (DWS pour Diffusing Waves Spectroscopy). Selon l'arrangement optique, nous pouvons mesurer avec cette méthode les gradients de vitesse locaux près d'une surface et nous pouvons en obtenir une carte résolue en temps et en espace. Une estimation globale de l'ensemble de la dissipation est également possible.



Jusqu'à présent, nous avons qualifié cette technique sur des écoulements bien connus. L'objectif de cette thèse de doctorat est d'appliquer la DWS sur des écoulements où elle pourra résoudre des problèmes physiques encore ouvert. Parmi ceux-ci, on trouve l'écoulement en surface libre en présence d'ondes de surface gravito-capillaires. Le comportement des couches limites associée a ces vagues est toujours mystérieux, surtout à la limite de viscosité nulle. Ces couches limites jouent pourtant un grand rôle dans la modélisation des interactions entre les ondes de surface et les courants sous-jacents. Elles doivent avoir un fort impact sur l'échange d'énergie entre l'atmosphère et l'océan, qui est un point clé de la modélisation du climat. Expérimentalement, il est difficile d'estimer les gradients de vitesse juste en dessous d'une interface en mouvement. La DWS a la possibilité de sonder cette couche limite de manière non intrusive dans le cadre d'une expérience en laboratoire. Cette technique ouvre également une voie expérimentale pour caractériser l'impact crucial de la contamination de la surface sur le transfert de moment à cette interface. Une autre voie de développement prometteuse consiste à appliquer la DWS à des écoulements totalement turbulents. Par exemple, afin de mieux comprendre la cascade d'énergie entre la grande échelle d'injection à les petites échelles dissipatives, nous aimerions vérifier la réponse de dissipation à une perturbation de l'énergie injectée. La DWS pourrait fournir un moyen unique pour mesures expérimentales de la dissipation turbulent résolues en temps, conduisant à une caractérisation quantitative de la dynamique temporelle de la cascade d'énergie turbulente.



Nous recherchons des étudiants ayant un fort attrait et des compétences sur divers aspects de la physique expérimentale (hydrodynamique, optique et traitement des données). Néanmoins, l'interprétation des données expérimentales nécessitera également une modélisation théorique et numérique. La thèse de doctorat se déroulera au SPEC, un laboratoire du CEA-Saclay. Basile Gallet et Sébastien Aumaitre encadreront cette thèse. Ils développent tous deux des activités de recherche sur la physique non linéaire principalement appliquée à la dynamique des fluides géophysiques et à la turbulence. Pour une partie d'entre eux, Basile Gallet a reçu le soutien du Conseil européen de la recherche (Flave ERC).

Conversion de l'énergie thermoélectrique en ferrofluides pour un capteur de chaleur solaire hybride

SL-DRF-21-0299

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 : 01-10-2021

Contact :

Sawako NAKAMAE
CEA - DRF/IRAMIS/SPEC/SPHYNX

0169087538

Directeur de thèse :

Sawako NAKAMAE
CEA - DRF/IRAMIS/SPEC/SPHYNX

0169087538

Page perso : http://iramis.cea.fr/spec/Phocea/Pisp/index.php?nom=sawako.nakamae

Labo : http://iramis.cea.fr/spec/SPHYNX/

Voir aussi : https://www.magenta-h2020.eu

Les matériaux thermoélectriques (TE) capables de convertir la chaleur en électricité sont considérés comme une solution possible pour récupérer la chaleur fatale provenant du flux de déchets industriels, de moteurs, d’appareils électroniques ménagers ou de la chaleur corporelle. Depuis plusieurs années, au sein du laboratoire SPHYNX nous explorons les effets thermoélectriques dans les nanofluides ioniques, où des nanoparticules chargées électriquement servent à la fois de porteurs de chaleur et d'électricité. Contrairement aux matériaux solides, plusieurs effets TE interdépendants se produisent dans ces fluides, en donnant des valeurs du coefficient thermoélectrique généralement supérieures d'un ordre de grandeur à celles des semiconducteurs solides. De plus, les liquides thermoélectriques sont constitués de matières premières abondantes, et ils font l'objet d'une attention particulière en tant que futurs matériaux TE peu coûteux et écologiques. Alors que les origines précises des phénomènes thermoélectriques dans ces fluides sont encore débattues, nos résultats expérimentaux indiquent que les natures physico-chimiques d’interface particule-liquide y jouent un rôle décisif.



L'objectif du projet de doctorat est double. Premièrement, nous étudierons les mécanismes thermodynamiques sous-jacents à la production du potentiel thermoélectrique dans les nanofluides par mesures systématiques du coefficient Seebeck et le courant électrique produits. Les résultats seront comparés à leur propriétés thermo-diffusives étudiées par ailleurs dans le cadre d'actions de collaboration. Deuxièmement, le projet vise à développer des dispositifs de capteurs solaires hybrides de niveau « preuve de concept », capables de co-générer de la chaleur et de l'électricité. Ce dernier fait partie d'un projet en cours, SolTE-Hybrid (financement PALM-Valorisation) qui a démarré en septembre 2020.



Le projet de recherche proposé est principalement expérimental, impliquant des mesures thermoélectriques, thermiques et électrochimiques ; la mise en place d'un système d'acquisition de données automatisé et l'analyse des données obtenues. Des notions de thermodynamique, de physique des fluides et de physique de l'ingénierie (des dispositifs), ainsi que des connaissances pratiques sur la manipulation des dispositifs de laboratoire sont souhaitées. Des connaissances de base en optique et en électrochimie sont un plus mais pas obligatoires. Pour les étudiants motivés, des simulations numériques utilisant des logiciels CFD commerciaux peuvent également être envisagées.
Modélisation par les données et théorie des suspensions actives denses

SL-DRF-21-0417

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 :

Hugues CHATE

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2021

Contact :

Hugues CHATE
CEA - DRF/IRAMIS/SPEC/SPHYNX

0169087535

Directeur de thèse :

Hugues CHATE
CEA - DRF/IRAMIS/SPEC/SPHYNX

0169087535

Page perso : http://iramis.cea.fr/Phocea/Membres/Annuaire/index.php?uid=chate

Labo : http://iramis.cea.fr/spec/sphynx/

Contexte : La matière active --composée d’unités convertissant de l'énergie en travail mécanique-- est actuellement un domaine de la physique statistique en pleine croissance, avec de nombreuses connexions en biologie. Même si les connaissances progressent rapidement, la compréhension théorique fine des résultats expérimentaux reste souvent assez superficielle.



Travail envisagé : Nous avons récemment développé des modèles de micronageurs en interaction simples, versatiles, et numériquement efficaces dont nous avons montré qu’ils peuvent décrire quantitativement des expériences réalisées sur des colonies de bactéries [PNAS 116, 777 (2019)]. Ces modèles traitent les interactions de champ court entre micronageurs de manière effective. Pour rendre cette modélisation par les données plus performante, nous projetons d’utiliser des méthodes AI/ML à la fois pour apprendre, à partir de données expérimentales respectivement locales et globales, les interactions effectives locales et les jeux de paramètres optimaux du modèle. Une deuxième étape consistera à dériver des théories continues à partir des modèles particulaires (méthodes de type théorie cinétique), et de les « recaler » sur les données, si possible par apprentissage des coefficients de transport.



Résultats attendus : jumeaux numériques efficaces de fluides bactériens denses, théories quantitatives dérivées des données pour ces systèmes. Méthodologie innovante pour la modélisation quantitative des suspensions actives et des matériaux actifs biomimétiques.

Stochasticité spontanée et singularités en turbulence

SL-DRF-21-0370

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 : 01-10-2021

Contact :

Bérengère DUBRULLE
CNRS - DRF/IRAMIS/SPEC/SPHYNX

0169087247

Directeur de thèse :

Bérengère DUBRULLE
CNRS - DRF/IRAMIS/SPEC/SPHYNX

0169087247

Page perso : http://iramis.cea.fr/Pisp/berengere.dubrulle/index.html

Labo : http://iramis.cea.fr/spec/sphynx/

On sait depuis Lorentz que les mouvements des fluides, notamment l’atmosphère et l’océan est chaotique : dans l’espace des phases, deux points initialement proches, s’écartent exponentiellement, permettant ainsi de produire le fameux effet papillon. Ce qu’on sait moins, c’est que ces mêmes fluides sont victimes d’un phénomène encore plus violent appelé "stochasticité spontanée", au cours duquel deux points de l’espace physique se séparent algébriquement de façon indépendante de leur distance initiale. Les mathématiciens suspectent que ce phénomène, observé dans des simulations numériques, est créé par l’existence de singularités dans les équations du mouvement, brisant ainsi l’unicité des solutions. Par contre, il n’existe à ce jour aucune démonstration expérimentale de ce phénomène, ni de preuve de son lien avec des singularités ou quasi-singularités.



Le but de cette thèse est de combler ces lacunes en utilisant une nouvelle expérience appelée GVK. Cette expérience a été spécialement conçue pour explorer la dynamique de particules et des mouvements turbulents, avec une résolution jamais atteinte jusqu’à présente. Au cours de cette thèse, on effectuera des mesures expérimentales à l’aide de dispositif d’imagerie vélocimétrique, et on analysera les données pour mettre en évidence le phénomène, et ses liens possibles avec des quasi-singularités.



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 (2016) 12466).

 

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