Service de Physique de l'Etat Condensé

Les sujets de thèses

4 sujets IRAMIS//SPEC

Dernière mise à jour : 18-07-2018


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• Matière molle et fluides complexes

 

"Machine learning" de modèles de suspensions hydrodynamiques de micro-nageurs par apprentissage de grandes masses de données expérimentales

SL-DRF-18-0902

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 : 01-09-2018

Contact :

Hugues CHATE

CEA - DRF/IRAMIS/SPEC/SPHYNX

0169087535

Directeur de thèse :

Hugues CHATE

CEA - DRF/IRAMIS/SPEC/SPHYNX

0169087535

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

Ces dix dernières années ont vu l'émergence d'études sur la "matière active" - composée de particules qui transforment l'énergie d'une source ambiante en mouvement - comme un sujet bien défini de physique statistique hors équilibre, principalement motivé par la nécessité de comprendre et reproduire le lien entre la motilité individuelle et collective. Les expériences sont encore relativement peu nombreuses, mais avec l'émergence du domaine, de plus en plus de données statistiques obtenues dans des conditions bien contrôlées deviennent disponibles. Ces grandes masses de données ("big data") ouvrent la possibilité non seulement de tester la pertinence quantitative de modèles existants, mais aussi de concevoir et d'appliquer des algorithmes d'apprentissage (machine learning) pour "découvrir" spontanément des modèles quantitativement fidèles. Ainsi on pourra atteindre un des objectifs finaux qui est d'obtenir explicitement les relations entre les paramètres de contrôle expérimentaux et les paramètres du modèle. Si la tâche semble difficile, elle est de première importance, car les modèles, en particulier les modèles continus, contiennent généralement de nombreux paramètres de sorte que cette correspondance n'est pas biunivoque.



Au cours de cette thèse, des données expérimentales à haut débit sur les suspensions bactériennes ("big data", provenant de collaborateurs à Shanghai et à Hong Kong) seront utilisées pour construire des modèles quantitatifs et élaborer des théories de synthèse.



Le travail de doctorat consistera à suivre en parallèle deux voies pour construire des liens théorie-expérience quantitatifs et directs. La première méthode, plus usuelle et déjà amorcée au laboratoire, consiste à construire des modèles par l'optimisation multidimensionnelle d'un ensemble de quantificateurs de cibles. La seconde, plus exploratoire et innovante, et donc plus difficile et risquée, consiste à construire "automatiquement" les modèles par des algorithmes d'apprentissage sur les données expérimentales. La comparaison des résultats obtenus par les deux voies sera particulièrement intéressante.



Les travaux analytiques nécessaires pour dériver des théories cinétiques et hydrodynamiques à partir des modèles simples de nageurs interactifs ainsi obtenus, y compris les termes stochastiques, seront développés en parallèle.

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.

Effets thermoélectriques dans les liquides ioniques et nanofluides

SL-DRF-18-0370

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 :

Sawako NAKAMAE

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

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/Pisp/sawako.nakamae/

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

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

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 cette thèse, nous proposons l'étude expérimentale des propriétés thermoélectriques de fluides complexes (e.g., liquides ioniques, nanofluides (solutions colloïdales de nanoparticules chargées) 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.

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

SL-DRF-18-0872

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 : 01-10-2018

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

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

Labo : 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.

 

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