Service de Physique de l'Etat Condensé

Sebastien AUMAITRE Service de Physique de l'Etat Condensé Systèmes Physiques Hors-équilibre, hYdrodynamique, éNergie et compleXes +33 1 69 08 74 37 +33 1 69 08 87 86

Fonction

Ingénieur de recherche

au Service de Physique de l’Etat Condensé (SPEC)

du Commissariat à l’Energie Atomique (CEA–Saclay)

Sujets de recherche

Mots clefs:

• Hydrodynamique, MagnetoHydroDynamique (MHD) et Turbulence : Instabilité dynamo dans l’expérience VKS : origine et dynamique du champ magnétique. Forçage MHD et turbulence en surface libre : déformation de l’interface d’un fluide turbulent, génération d’ondes de surface et interactions ondes de surface-turbulence. Instabilité en pompage électromagnétique.
• Milieux granulaires : Transitions de phase hors-équilibre dans une couche de grains vibrés. Mesure de friction par centrifugation. Dynamique de flotteurs millimétriques sur des écoulements turbulents et un fluide en rotation solide.

Hydrodynamique, MagnetoHydroDynamique (MHD) et Turbulence

• Dynamo et expérience VKS [22,24, 25, 26, 27, 28, 29]: L’effet dynamo c.-à-d. la génération d’un champ magnétique à partir d’un écoulement turbulent de métal liquide (le Sodium)  a été mis en évidence dans l’expérience VKS (basée au CEA-Cadarache) quelques mois avant mon arrivée dans l’équipe. Les campagnes de mesures auxquelles j’ai participé par la suite ont permis d’étudier la dynamique du champ magnétique lorsque la symétrie du forçage est brisée.  De nombreuses expériences ont été également réalisées pour comprendre les mécanismes permettant la génération du champ magnétique et le rôle des conditions aux limites. Ces derniers points  restent peu clairs alors que la dynamique du champ est maintenant bien comprise dans le cadre des systèmes dynamiques en présence de bruit.   

• Forçage MHD et turbulence en surface libre [30,31]: Dans l’instabilité dynamo, un écoulement de métal liquide transforme de l’énergie mécanique en énergie en magnétique lorsque l’advection des lignes de champ est forte. Mais, à l’inverse, champ et courant peuvent être utilisés pour mettre en mouvement un fluide conducteur. Nous avons utilisé ce forçage pour engendrer différents types d’écoulements dans une couche de métal liquide. L’objectif était d’y étudier la turbulence en surface libre et les propriétés statistiques de l’interface ainsi déformée. Cela a été fait  via notamment la dynamique de particules contraintes à flotter  sur la surface. Nous avons tenté de mettre en évidence la génération d’ondes de surface par l’écoulement tourbillonnaire sous-jacent et la propagation de ces ondes de surface sur un milieu turbulent [Thèse P. Gutierrez]. Ce type d’entrainement  est aussi le principe de fonctionnement des pompes électromagnétiques. Dans le  cas de leur utilisation dans les réacteurs nucléaires au Sodium, il est essentiel de connaitre la stabilité du point de fonctionnement  ces pompes notamment à grand débit, d’où la réalisation de la plateforme expérimentale PEMDyn. Un rôle d’expertise et de conseil a été demandé à l’équipe VKS sur ce projet. Par ailleurs,  nous avons mis évidence des instabilités ondulatoires dans un type très simplifié d’entrainement électromagnétique de métal liquide.

• Turbulence d’onde [23,31] : Les ondes de surface étant des ondes dispersives non-linéaires, elles sont susceptibles de transférer l’énergie injectée aux grandes échelles vers les petites où la dissipation est efficace. Il existe un cadre théorique pour décrire cette turbulence d’onde ou turbulence faible. L’objectif des expériences dans ce domaine est de tester la robustesse des prédictions théoriques face aux hypothèses nécessaires pour les établir. Dans les grands bassins à houle de l’Ecole Central de Nantes, on cherche notamment à clarifier le rôle du forçage, des effets de taille et de conditions de bord sur les distributions spectrales de la hauteur des vagues.  Dans le cas d’un forçage aléatoire nous avons pu modéliser, par une approche stochastique de type équation de  Langevin, les propriétés statistiques de la puissance injectée.

• Flux et transport d’énergie en turbulence [8, 11, 23, HDR[1]] : Au-delà des ondes et de l’hydrodynamique, on peut définir un système turbulent comme un système dissipatif hors-équilibre où l’échelle d’injection d’énergie diffère de l’échelle de dissipation, d’où l’existence d’un flux de cette énergie injectée qui se conserve à travers les échelles intermédiaires. En plus de l’égalité entre les valeurs moyennes de la puissance injectée, dissipée et du flux d’énergie, la stationnarité impose également des contraintes sur les fluctuations de ces quantités. Nous avons montré la pertinence de ces contraintes dans un modèle en couche de la turbulence. Pour aller au-delà de la phénoménologie classique de la turbulence, où ces contraintes  ne sont  pas prises en compte, je souhaiterais comprendre leur influence sur la complexité des inhomogénéités spatiales des écoulements turbulents.

• Equations stochastiques et bruit multiplicatif [11, 12, 15, 16, 18, 19, 21]: Les équations stochastiques peuvent être utiles pour modéliser le rôle de la turbulence sur le comportement des grandeurs globales. Par exemple, dans le cas de l'instabilité dynamo, qui croit sur un écoulement nécessairement très fluctuant,  la turbulence peut apparaitre comme une perturbation intrinsèque du paramètre de contrôle et agira multiplicativement sur le mécanisme d’instabilité. Afin de raccorder des résultats contradictoires sur l’effet d’un bruit multiplicatif sur le seuil d’une instabilité, nous avons quantifié, expérimentalement et théoriquement, le rôle prédominant  des basses fréquences du bruit sur le seuil d’instabilité.

• Convection turbulente et dans les fluides critiques [4, 8, HDR]: La convection turbulente est un moyen efficace de transporter la chaleur. Mais le transport de la chaleur peut être amélioré aussi par l’utilisation de fluide prés de leur point critique. En effet  du fait de leur hyper-compressibilité les fluides supercritiques sont susceptibles de transporter de l’énergie par émission d’onde induite par la compression de couche limite thermique. Ce phénomène d’effet piston a été étudié numériquement dans la configuration de Rayleigh-Bénard 2D. Lorsque le flux radiatif et son absorption par le fluide sont pris en compte, alors j’ai pu mener à bien une étude de stabilité montrant que  le seuil est modifié. Expérimentalement, on a montré que le transport convectif moyen dans un  métal liquide est peu influencé  par la présence d’un champ magnétique horizontal, alors que ce champ réduit drastiquement les fluctuations du flux thermique.

CV

Formation

• 1999 : Thèse de doctorat, spécialité Physique : "Fluctuations de grandeurs globales dans des systèmes dissipatifs hors–équilibre",
  préparée à l’ENS de Lyon (2 ans) puis à l’ENS de Paris (1 an), soutenue le 31/03/1999 à Lyon, mention très honorable[1]
• 1995 : DEA de physique statistique et phénomènes non linéaires, ENS-Lyon, mention assez bien.
• 1994 : Maitrise de physique Université Paris VI, mention très bien.
• 1993 : Licence de Physique, Université Paris VI, mention assez bien.
• 1992 : DEUG A SSM, Université Nancy I, mention assez bien.

Expériences professionnelles

Post-docs :

• Octobre 2005–Juillet 2006 : Research Associate Post-doctoral Position à Haverford College (Pennsylvanie USA avec J. Gollub)
• Octobre 2002–octobre 2005 : CDD Chargé de Recherche CNRS au Laboratoire de Physique Statistique de l’ENS (Avec S. Fauve)
• Octobre 2001–Septembre 2002 : Attaché Temporaire en Enseignement et Recherche à l’ENS (Avec S. Fauve)
• Septembre 1999–Septembre 2001 : Post–doc à l’Université de Bayreuth (Allemagne avec I. Rehberg)
• Janvier–Septembre 1999 : Post–doc à l’IRPHE de l’Université d’Aix–Marseille II (Avec P.Bontoux)

Stages :

• Juin–Août 1996 : Fellow à la Woods Hole Oceanographic Institution Summer Program in Geophysical Fluid Dynamics (USA)
• Avril–Juillet 1995 : Stage de DEA au centre d’étude des phénomènes non–linéaires et des systèmes complexes, de l’Université Libre de Bruxelles (Avec P. Gaspard)
• Juillet 1994 : Stage de Maitrise LPPM de l’Université d’Orsay (avec A. Tallet)

Publications scientifiques

 

1. Fluctuations and instabilities in Out-of-equilibrium systems , S. Aumaître, HDR Thesis (2014) (attached hereafter)
2.  Surface waves propagation on a turbulent flow forced electromagnetically, P. Gutierrez, S. Aumaître  submitted to Phys Fluids (2014) http://arxiv.org/abs/1511.05900

3. Friction of spheres on a rotating parabolic support, A. Soulier, S. Aumaître submitted to Am. J Phys. (2103) http://arxiv.org/abs/1411.0694                                                                                                                                           

4. Experimental study on the clustering of floaters on the free surface of a turbulent flow, P. Gutierrez, S. Aumaître submitted to Phys Fluids (2013) http://arxiv.org/abs/1410.7824

5. Phase transition in an out-of-equilibrium monolayer of dipolar vibrated grains
   L. Oyarte, P. Gutierrez, S. Aumaître, et al. , Phys Rev E 87(2) 022204 (2013)

6. Symmetry and couplings in stationary Von Karman sodium dynamos
   J. Boisson, S. Aumaître, N. Bonnefoy et al., New J Phys 14  # 013044 (2012)

7.  Experimental Observation of Spatially Localized Dynamo Magnetic Fields
   B. Gallet, S. Aumaître, J. Boisson et al, Phys. Rev. Lett. 108-14 #144501 (2012)

8. Dynamo regimes and transitions in the VKS experiment,
   M. Berhanu, G. Verhille, J. Boisson et al, Euro. Phys J. B 77-4  pp 459-468 (2010)

9. Bistability between a stationary and an oscillatory dynamo in a turbulent flow of liquid sodium
   M. Berhanu, B. Gallet, R. Monchaux et al, J. Fluid Mech. 641, pp 217–226 (2009)

10. J. Boisson, A.  Klochko, F.  Daviaud & S. Aumaître: Phys. Fluids 24 -4 # 044101  (2012)

11. The von Kármán Sodium experiment: Turbulent dynamical dynamos
    Romain Monchaux,  Michael Berhanu et al, Phys. Fluids 21, 035108 (2009)

12. The VKS experiment: turbulent dynamical dynamos,
    S. Aumaître, M. Berhanu, et a, CRAS  9-7   pp 689-701 (2008)

13. Fluctuations of energy flux in wave turbulence,
    E.  Falcon, S. Aumaître, et al., Phys Rev Lett. 100-6 064503 (2008)

14. Chaotic Dynamos Generated by a Turbulent Flow of Liquid Sodium,
    F. Ravelet, M. Berhanu, R. Monchaux et al, Phys. Rev. Lett. 101, #074502 (2008)

15. Noise-induced bifurcations, multiscaling and on–off intermittency,
    S. Aumaître, M. Mallick and F. Pétréli, J. Stat. Mech. P07016 (2007)

16. Comparing flow thresholds and dynamics for oscillating and inclined granular layers,
    S. Aumaître, C. Puls, J.N. McElwaine, J.P. Gollub, Phys. Rev. E 75, #061307 (2007)

17. Escape from a potential well, stochastic resonance and zero frequency component of the noise
    F. Pétrélis, S. Aumaître and K. Mallick,  Euro. Phys. Lett. 79  #40004 (2007)

18. Stability of a nonlinear oscillator with random damping
    N Leprovost, S Aumaître, K Mallick, Eur. Phys. J. B 49, pp453–458 (2006)

19. A quasi–elastic regime for vibrated granular gases,
    S. Aumaître, A. Alastuey, S. Fauve, Euro. Phys. J. B. 54–2 pp263–266 (2006)

20. Effects of the low frequencies of noise on On–Off intrmittency,
    S. Aumaître, K. Mallick, F. Pétrélis, J. Stat. Phys. 123–4 pp909–927 (2006)

21. Modification of instability processes by multiplicative noises,
    F. Pétrélis, S. Aumaître, Euro. Phys. J. B. 51–3 pp357–362 (2006)

22. Collision statistics in dilute granular gas fluidized by vibrations in a low gravity,
    E. Falcon, S. Aumaître, et al, Europhys. Letters 74–5 pp830–836 (2006)

23. Collision frequencies and energy flux in a dilute granular gas,
    S. Aumaître, S. Fauve, Phys. Rev. E 73, 010302(R) (2006)

24. Low–frequency noise controls on–off intermittency of bifurcating systems,
    S. Aumaître, F. Pétrélis, K. Mallick, Phys. Rev. Lett. 95–6 # 064101 (2005)

25. Effect of phase noise on parametric instabilities,
    F. Pétrélis, S. Aumaître, S. Fauve, Phys. Rev. Lett. 94–7 #070603 (2005).

26. Energy and power fluctuations in vibrated granular gases,
    S. Aumaître, J. Farago, S.Fauve, S. Mc Namara, Euro. Phys. J. B. 42 (2) pp255-261 (2004).

27. Intermittency at the edge of a stochastically inhibited pattern–forming instability,
    F. Pétrélis, S. Aumaître, Eur. Phys. J. B 34–3 pp281–284 (2003).

28. Statistical properties of the fluctuation of the heat transfer in turbulent convection,
    S. Aumaître, S. Fauve : Europhys. Lett. 62 822–828 (2003).

29. A granular phase transition as precondition for segregation,
    S. Aumaître, T. Schnautz, C. Kruelle, I. Rehberg, Phys. Rev. Lett. 90–11 #114302 (2003).

30. Segregation in granular matter under horizontal swirling excitation,
    S. Aumaître, C. Kruelle, I. Rehberg, Phys. Rev. E 64–3 #041305 (2001).

31. Radiative convection with fixed flux,
    S. Aumaître, Physica D 158 164–174 (2001).

32. Direct numerical simulation of the time-dependent convection in a supercritical fluid layer: Temporal evolution of the convective structures in highly non-linear regimes
    I. Raspo,; S. Aumaître, S; B. Gilly; et al.,  J. de  physique IV  11   pp 65-71  (2001)

33. Power injected in dissipative systems and the fluctuation theorem,
    S. Aumaître, S. Fauve, P. Poggi and S. Mc Namara, Euro. Phys. J. B. 19–3 449–460 (2001)

34. Large scale correlations for energy injection mechanisms in swirling turbulent flows,

35. S. Aumaître, S. Fauve, J-.F Pinton, Euro. Phys. J. B. 16(3) 563–567 (2000)

36. Etudes des fluctuations de grandeurs globales dans des systèmes dissipatifs hors-équilibre, S. Aumaître PhD thesis (1999) (attached hereafter)

37. Fluctuations of the heat-flux in turbulent convection
    S. Aumaître and S. Fauve, J. Chim. Phys. 96(6)  1038-1043 (1999)

38. Spatio–temporal sub–harmonic cascade in non–linear interferometer with a liquid–cristal light valve,
    S. Aumaître, M. Le Berre, E. Ressayre, A. Tallet, Quantum Semiclass. Opt., 7 (1995)

Chapitre d’ouvrage :

1. Fluctuation of energy flux in Wave Turbulence,
   S. Aumaître,  E. Falcon and S. Fauve, in "Advances In Wave Turbulence", Ed. V Shrira & S. Nazarenko, World Scientific 2013.

2. Phase transition and segregation in vibrated granular systems,
   C.A. Kruelle, S. Aumaître, P.J. Breu et al, in "Advances In Solid State physics", Ed. B. Kramer, Springer-Verlag, Berlin , 2004.

3. Large fluctuations in swirling flows,
   S. Fauve, S. Aumaitre P. Abry et al, in "Advances In Turbulence VII", Ed. U Frisch, Springer Netherlands, 1998.

Enseignement

Encadrement et enseignements

• douze étudiants en stage L1 ; M1,  M2 graduate et école d’ingénieur (ENSTA ; Polytechnique, Ponts et chaussées, IPSA )
• Thèse de Pablo Gutierrez-Matus (2009-2013)
• Post-doc de Chirstophe Pirat (2008) et Jean Boisson (2009-2010)
• Service ATER à l’ENS (TD-TP-stage long)

Divers

Co-responsable des séminaires du laboratoire.

Financements

- Sur appel d’offre :

• 2013-2015 : Labex PALM : TurbCrack
• 2013-2016 : ANR-Turbulon
• 2012-2014 : RTRA Triangle de la physique : CoMigs2D
• 2010-2013 : Programme Energie du CEA : SIMHD
• 2009-2013 : RTRA Triangle de la physique : Magnetonde
• 2008-2011 : ANR-VKS

- Autres :

• 2011-2012 : Expertise auprès du progamme CEA-DEN : PEMDyn

HDR_SAumaitre.pdf

These1999.pdf