Service de Physique de l'Etat Condensé

Dernière mise à jour : 19-01-2018

3 sujets /SPEC/SPHYNX

 

Dissipation, cascades et singularités en turbulence

SL-DRF-18-0272

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

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

Labo : 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, du à 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.

Aspects physiques de la rupture des verres en corrosion sous contrainte

SL-DRF-18-0227

Domaine de recherche : Physique du solide, surfaces et interfaces
Laboratoire d'accueil :

Service de Physique de l'Etat Condensé (SPEC)

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

Saclay

Contact :

Cindy ROUNTREE

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2018

Contact :

Cindy ROUNTREE

CEA - DRF/IRAMIS/SPEC/SPHYNX

+33 1 69 08 26 55

Directeur de thèse :

Cindy ROUNTREE

CEA - DRF/IRAMIS/SPEC/SPHYNX

+33 1 69 08 26 55

Page perso : http://iramis.cea.fr/Pisp/cindy.rountree/

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

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

Pour les 3 années de thèse, un financement par l'ANR a été obtenu en 2017. Une décision sur les candidatures reçues pourra être donnée par la laboratoire au début du printemps 2018.



Ce projet de recherche fondamentale et appliquée est motivé par la nécessité de prédire, contrôler et d’améliorer la durabilité mécanique des verres sur le long terme. Les verres d’oxydes sont utilisés pour de nombreuses structures (panneaux de protection, satellites, cellules photovoltaïques…) soumises à d’amener un endommagement générant une apparition et une propagation lente de fissure (Corrosion Sous Contrainte, CSC).



Des études récentes [1-3] ont dévoilé une méthode très innovante pour améliorer la réponse en corrosion sous contrainte qui consiste à irradier électroniquement le matériau. Cependant, l’irradiation par électrons engendre des zones de démixtion. La question qu’on se propose de résoudre ici est de vérifier si l’apparition de zone de démixtion (APS, Amorphous Phase Separation) est bien responsable de l’amélioration comportement en corrosion sous contrainte, puis de l’étudier pour ensuite augmenter la tenue en service des verres.

Le doctorat devra étudier les propriétés physiques, mécaniques et Corrosion Sous Contrainte (CSC) des verres avec APS. L'objectif principal étant d'étudier in situ la propagation de la fissure par corrosion sous contrainte et l'analyser des surfaces de fracture dans des verres avec APS. Cela fournira des informations sur le comportement de la fissure en régime de CSC en fonction des différentes phases présentes dans les verres avec APS.



Cette méthode a déjà été utilisée dans nos équipes de recherche pour étudier la surface de fracture en fonction de la vitesse de propagation de la fissure dans de la silice pure (SiO2) et dans plusieurs échantillons SBN ("Si" "O" _"2" "-" "B" _"2" "O" _"3" "-N" "a" _"2" "O" ). L’utilisation de ces techniques pour l’étude du comportement en CSC de verres SBN APS aidera à comprendre comment la structure physique des verres modifie les propriétés mécaniques. Le doctorant sera donc amené à utiliser différents techniques expérimentaux tels que la spectroscopie Raman, la spectroscopie RMN, l'absorption des rayons X et de collaborer avec d’autres équipe de recherche : CEA, DEN et Université de Rennes 1. Le but étant de corréler les mécanismes de fissuration des verres avec d’autres propriétés macroscopiques et microscopiques.



Sur le plan logistique, le candidat sera co-encadré par C.L. Rountree au CEA et F. Célarié de l'Université de Rennes 1. Des essais de synthèse de verre et des essais préliminaires auront lieu à l'Université de Rennes 1 puis les tests de fissuration en CSC seront effectués au CEA. En conclusion, le thème de ce projet est la compréhension de la source des changements dans la propriété macroscopique, et en particulier comment contrôler les propriétés de fissuration en CSC en faisant varier la structure des verres via l’apparition de zone de démixtion (APS).



Publications

1) “SiO2-Na2O-B2O3 density: A comparison of experiments, simulations, and theory.”

M. Barlet, A. Kerrache, J-M Delaye, and C. L. Rountree, Journal of Non-Crystalline Solids. 382, 32, (2013)

2) "Hardness and Toughness of Sodium Borosilicate Glasses via Vicker's indentations”

M. Barlet, J-M. Delaye, T. Charpentier, M. Gennisson, D. Bonamy, T. Rouxel, C.L. Rountree

Journal of Non-Crystalline Solids. 417–418:66-69 (June 2015).

DOI:10.1016/j.jnoncrysol.2015.02.005

3) “From network depolymerization to stress corrosion cracking in sodium-borosilicate glasses: Effect of the chemical composition.”

M. Barlet, J.-M. Delaye, B. Boizot, D. Bonamy, R. Caraballo, S. Peuget and C. L. Rountree

Journal of Non-Crystalline Solids. 450:174-184 (15 October 2016).

4) “Role of evaporation rate on the particle organization and crack patterns obtained by drying a colloidal layer”

K. Piroird, V. Lazarus, G. Gauthier, A. Lesaine, D. Bonamy and C. L. Rountree

Europhysics Letters, 113:38002 (February 2016).

Transitions supermagnétiques dans les super-réseaux de nanoparticules magnétiques

SL-DRF-18-0451

Domaine de recherche : Physique du solide, surfaces et interfaces
Laboratoire d'accueil :

Service de Physique de l'Etat Condensé (SPEC)

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

Saclay

Contact :

caroline RAEPSAET

Sawako NAKAMAE

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2018

Contact :

caroline RAEPSAET

CEA - DRF/IRAMIS/SPEC/SPHYNX

0169082423

Directeur de thèse :

Sawako NAKAMAE

CEA - DRF/IRAMIS/SPEC/SPHYNX

0169087538

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

Les interactions entre nanoparticules magnétiques entraînent une grande variété de comportements magnétiques dont l'étude à elle seule constitue un domaine émergent de la physique : le "supermagnétisme". Dans le cadre de ce projet de thèse, nous proposons une étude expérimentale des transitions supermagnétiques : verre de superspins (SSG) et superferromagnétisme (SFM) dipolaire, dans des supracristaux (SC) de nanoparticules (NP) de cobalt aux contraintes structurelles contrôlées.



Nous travaillons sur des supracristaux 3D, solides artificiels dont la brique élémentaire est non plus l'atome mais la nanoparticule, petit cristal de dimension nanométrique. Comme dans les solides atomiques, les nanoparticules sont organisées suivant une structure spécifique, dans notre cas un réseau cubique à faces centrées, qui présente une compacité importante. Régulièrement organisées sur les sites supracristallins, les nanoparticules peuvent donc interagir entre elles par interaction magnétique dipolaire. La simplicité géométrique de ces supracristaux en fait un système "réel" simple et riche d’enseignements, qui peut être modélisé numériquement et théoriquement. Les échantillons de supracristaux sont préparés par le laboratoire MONARIS, UPMC/CNRS, dans des conditions de cristallinité (des NP et des SC) et de morphologie contrôlées.



Le sujet de cette thèse concerne l’étude expérimentale de l’évolution de l’état magnétique de supracristaux de nanoparticules de cobalt. Nous travaillerons à partir de deux méthodes de mesures : une méthode globale par magnétomètrie à SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) et une méthode microscopique par sonde de Hall de taille micrométrique. Cette deuxième méthode permet de mesurer le champ magnétique local dans des domaines de taille micrométrique, donc comparables à celle d’un supracristal isolé, et peuvent être sensibles au retournement d’aimantation d'un petit nombre de nanoparticules. A l’aide de ces deux méthodes, nous espérons pouvoir détecter une transition SSG/SFM dans un supracristal unique monocristallin, preuve expérimentale décisive de l’existence du SFM dipolaire.



Le principal enjeu de ce travail concerne la physico-chimie fondamentale : mise en évidence d’un état superferromagnétique dipolaire prévu par la théorie mais non encore observé expérimentalement dans les systèmes 3D. Le travail expérimental effectué dans le cadre de la thèse se fera donc en étroite collaboration avec les théoriciens, pour interpréter les résultats expérimentaux mais également pour valider les modèles développés. Enfin l’utilisation de ces supracristaux intéresse le domaine médical, le stockage de données…



Les expériences projetées feront intervenir des connaissances en magnétisme des nanoparticules, des techniques de mesures magnétiques (magnétométrie ultra-sensible intégrant des mesures à faible niveau) et de cryogénie, des analyses statistiques et l'interprétation de résultats expérimentaux. Les candidats motivés auront la possibilité de participer à la synthèse des NP, des SC et à leurs caractérisations structurales (SAXS, TEM, MEB, etc.).

• Matière molle et fluides complexes

• Physique du solide, surfaces et interfaces

 

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