Energie et Matériaux

Nicolas Vandenberghe

Responsable

Nicolas Vandenberghe

Description

Les recherches conduites dans l’axe Energie et Matériaux ont pour objectifs de comprendre et  modéliser certains phénomènes qui interviennent dans la transformation de la matière. Les études portent ainsi sur les écoulements réactifs, incluant la combustion, les dynamiques d’interfaces, les phénomènes d’instabilités et de localisation dans la déformation des milieux élastiques, la fragmentation des milieux fluides et solides et le mélange. Les études combinent souvent les approches (expérimentales, théoriques et numériques) et elles sont pertinentes pour des applications diverses dans les procédés industriels comme dans les phénomènes naturels. 

Projets

  • Propagation de fronts réactifs dans des écoulements contrôlés

    La propagation d’un front réactif dans un milieu agité se rencontre dans divers domaines : combustion, écologie, épidémiologie… Elle conduit à l’imbrication de trois phénomènes de transport - réaction, diffusion et advection - dont les interactions donnent lieu à de nombreux régimes.

    Un des enjeux importants est de déterminer l’effet d’écoulements fermés sur la propagation globale du front. En effet, bien qu’il n’y ait pas alors d’advection globale du milieu, on constate néanmoins une amplification de la vitesse nette du front, fonction de l’intensité de l’écoulement.

    Pour l’étudier, nous avons réalisé une situation expérimentale modèle où un front de réaction-diffusion se propage dans un écoulement contrôlé en intensité, en forme et en conditions aux limites. Le front est induit par une réaction autocatalytique en solution et ne rétroagit pas sur l’écoulement. Celui-ci est forcé par électroconvection selon un pavage d’aimants de taille et de disposition sous contrôle.

    Un effet étonnamment important des conditions aux limites de l’écoulement est apparu, induisant des variations fortes entre propagation dans un canal (fig. a) et dans un réseau (fig. b). De même, des effets d’échelle ont été mis en exergue avec une dépendance vis à vis de la taille des vortex ou de l’épaisseur du front à forte intensité de l’écoulement et une indépendance à faible intensité. L’ensemble a permis d’éclaircir les mécanismes de propagation d’un front sous advection mono-échelle. L’étude s’oriente maintenant vers la compréhension des effets induits par des échelles imbriquées sur la propagation du front (fig c).

    Front de réaction

     

    Participants

    • BODEA Simona
    • POCHEAU Alain

    Publications

    • Bodea, S., Beauvier, E., & Pocheau, A. (2023). Front propagation in cellular flows: scale dependence versus scale invariance. Journal of Fluid Mechanics, 968, A29.

    • Beauvier, E., Bodea, S., & Pocheau, A. (2017). Front propagation in a regular vortex lattice: Dependence on the vortex structure. Physical Review E, 96(5), 053109.

    • Beauvier, E., Bodea, S., & Pocheau, A. (2016). Front propagation in a vortex lattice: dependence on boundary conditions and vortex depth. Soft Matter, 12(43), 8935-8941.

    Contact

    alain.pocheau_AT_univ-amu.fr
    simona.bodea_AT_univ-amu.fr

  • Mélange

    Le Mélange, c’est à dire l’ensemble des phénomènes caractéristiques du couplage entre la diffusion moléculaire et une déformation du substrat, et le paradigme de l’irréversibilité. Nous approfondissons depuis plusieurs années les fondements de cette science, et nous explorons ses ramifications vers les propriétés du mouvement Brownien, le mélange dans les milieux désordonnés, poreux, granulaires, turbulents, chaotiques, mais aussi la chimiotaxie, et l’évaporation des sprays denses.

     

    Participants

    • VILLERMAUX Emmanuel
    • MEUNIER Patrice

    DOCTORANTS/MASTER/POST-DOCS

    • B. Bossa
    • A. Figueroa
    • P. Huck
    • M. Kree
    • D. Martinez-Ruiz
    • C. Nobili
    • A. de Rivas

    Collaboration(s)

    • A. Celani (ICTP Trieste)
    • M. Dentz (University of Barcelona)
    • E. Dressaire (NYU, New York)
    • J. Duplat (Université Joseph Fourier, Grenoble)
    • T. Le Borgne (Université de Rennes)
    • B. Metzger (IUSTI, Marseille)
    • M. Raizen (University of Texas, Austin)
    • A. Sauret (LIMSI, Orsay)
    • H. Stone (Princeton University)
    • P. Tong (Hong Kong University)
    • M. Vergassola (UCSD, San Diego)

    Financements

    • ANR-DFG TurbMix
    • IUF

    Publications

    1. DE RIVAS, A. AND VILLERMAUX, E. 2016 Dense spray evaporation as a mixing process. Phys. Rev. Fluids,in press.
    2. MEUNIER, P.,HUCK, P.,NOBILI, C. AND VILLERMAUX,E. 2015 Experimental measurement of the Melnikovfunction. Phys. Fluids, 27, 077103.
    3. SOUZY, M., YIN, X., VILLERMAUX, E., ABID, C. AND METZGER, B. 2015 Mixing at low Reynolds number by shearing suspensions. Phys. Fluids, 27, 041705.
    4. LE BORGNE, T., DENTZ, M. AND VILLERMAUX, E.2015 The lamellar description of mixing in porous media.J. Fluid Mech., 770, 458–498.
    5. CELANI, A., VILLERMAUX, E. AND VERGASSOLA,M. 2014 Odor Landscapes in Turbulent Environments. Phys. Rev. X, 4, 041015.
    6. SAURET, A., BARNEY, E. C., PERRO, A., VILLERMAUX, E., STONE, H. A. AND DRESSAIRE, E. 2014 Clogging by sieving in microchannels application to the detection of contaminants in colloidal suspensions. Appl. Phys. Letters 105, 074101.
    7. FIGUEROA, A., MEUNIER, P., CUEVAS, S., VILLERMAUX, E. AND RAMOS, E. 2014 Chaotic advection at large Péclet number : electromagnetically driven experiments, numerical simulations and theoretical predictions. Phys. Fluids 26, 013601.
    8. KREE, M., DUPLAT, J. AND VILLERMAUX, E. 2013 The mixing of distant sources. Phys. Fluids 25, 091103 (Plus Issue cover).
    9. LE BORGNE, T., DENTZ, M. AND VILLERMAUX, E 2013 Stretching, Coalescence and Mixing in Porous Media Phys. Rev. Letters 110, 204501.
    10. DUPLAT, J., KHEIFETS, S., LI, T., RAIZEN, M. G. AND VILLERMAUX, E. 2013 Super-diffusive trajectories in Brownian Motion. Phys. Rev. E 87, 020105(R).
    11. VILLERMAUX, E. 2012 Mixing by Porous Media. C. R. Mécanique 340, 933–943.
    12. VILLERMAUX, E. 2012 On dissipation in stirred mix mixtures. Advances in Applied Mechanics 45, 91–107.
    13. SONG, H., VILLERMAUX, E. AND TONG, P. 2011 Coherent oscillations of turbulent Rayleigh-Bénard convection in a thin vertical disk. Phys. Rev. Letters 106,184504.
    14. DUPLAT, J., BOSSA, B. AND VILLERMAUX, E. 2011 On two dimensional foam ageing. J. Fluid Mech. 673,147–179.

  • Fragmentation solide

    La fragmentation solide consiste à étudier les formes et les tailles produites par des contraintes naturelles (collisions d’astres, érosion éolienne...) ou résultant de l’activité humaine(procédé de broyage...). Il s’agit de comprendre comment un objet fragile se brise, par exemple à la suite d’un impact, et en particulier les mécanismes de sélection de taille de fragments. Cela implique de résoudre le problème d’élastodynamique de l’impact, de comprendre comment les fractures apparaissent et s’étendent et comment elles rétroagissent sur le champ de contrainte, et de comprendre les éventuels mécanismes de dissipation. Nous avons progressé sur les différents aspects de la fragmentation solide, notamment en étudiant la sélection de formes lors de l’impact sur des milieux très déformables (des membranes flottantes), en décrivant l’apparition et l’extension de fissures sur des plaques fragiles impactées ou en étudiant de manière très approfondie la fragmentation d’un anneau formé de particules cohésives. Les études se concentrent sur l’observation de la dynamique sans avoir recours à des modèles phénoménologiques de comportement des matériaux.

     

    Participants

    • VANDENBERGHE Nicolas
    • VILLERMAUX Emmanuel
    • DUCHEMIN Laurent
    • DALBE Marie julie

    DOCTORANTS/MASTER/POST-DOCS

    • A. Vledouts
    • J. John Soundar Jerome

    Collaboration(s)

    • Y. Forterre (IUSTI, Marseille)
    • F. Ulm (MIT)

    Financements

    • ANR CraSh
    • Saint Gobain
    • IUF
    • Labex MEC

    Publications

    • Villermaux, E., Keremidis, K., Vandenberghe, N., Qomi, M. A., & Ulm, F. J. (2021). Mode coarsening or fracture: Energy transfer mechanisms in dynamic buckling of rods. Physical Review Letters, 126(4), 045501.

    • Vledouts, A., Vandenberghe, N., & Villermaux, E. (2015). Fragmentation as an aggregation process. Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 471(2184), 20150678.

    • Jerome, J. J. S., Vandenberghe, N., & Forterre, Y. (2016). Unifying impacts in granular matter from quicksand to cornstarch. Physical Review Letters, 117(9), 098003.

    • Vandenberghe, N., Vermorel, R., & Villermaux, E. (2013). Star-shaped crack pattern of broken windows. Physical review letters, 110(17), 174302.

    Contact

    nicolas.vandenberghe_AT_univ-amu.fr

  • Suivi des instabiltés de combustion

    Les flammes de prémélange à haute pression, de plus en plus utilisées dans les applications, sont soumises à d’importantes instabilités hydrodynamiques. On s’intéresse à la propagation de ces flammes instables dans des brûleurs de grandes dimensions, où les instabilités se produisent sur une large gamme d’échelles. L’étude est réalisée dans un brûleur de Hele-Shaw, constitué de deux plaques de verre séparées de quelques millimètres, et permet de mesurer le taux de croissance des perturbations d’un front initialement rectiligne, ainsi que l’évolution non linéaire, qui peut être prédite par la théorie. 

    Flamme de prémélange

    Participants

    • DENET Bruno
    • ALMARCHA Christophe

    DOCTORANTS/MASTER/POST-DOCS

    • Y. Ballossier

    Collaboration(s)

    • Pierre Boivin (M2P2)
    • L. Vervisch (Coria Rouen)
    • G. Lodato (Coria Rouen)
    • Hiroshi Gotoda (Tokyo university of Science)
    • Mario Sanchez Sanz (UC3M Madrid)
    • Daniel Martinez Ruiz (UPM Madrid)

    Financements

    • ANR 
    • IMI
    • Financement interne laboratoire
  • Solidification de suspensions

    De nombreuses suspensions sont appelées à se solidifier dans la nature ou l’industrie, depuis les sols humides jusqu’aux crèmes glacées en passant par fluides biologiques. Loin d’être indifférentes au passage en phase solide du solvant, les particules en suspension sont sujettes à des forces interfaciales intenses induites par le front de solidification. Il s’ensuit une ségrégation notable des particules au passage du front ainsi que d’importantes forces responsables de nombreux phénomènes depuis les mouvements cycliques des sols à la formation de matériaux composites, en passant par la cryobiologie.

    Cependant, tant la modélisation des processus à l’œuvre que les divers effets de ségrégation restent à développer, à caractériser et à comprendre. Pour ce faire, nous reproduisons ce phénomène in-situ et de manière contrôlée dans une expérience de solidification directionnelle en lames minces d’une suspension modèle. La modélisation des forces et des effets de lubrification entre front et particules ainsi que de la rhéologie de la couche dense de particules permettent de se confronter aux observations et de fonder un modèle global de ce système.

    Solidification

    Participants

    • POCHEAU Alain
    • GEORGELIN Marc
    • BODEA Simona

    Postdoc / Doctorant / Master 

    • SAINT-MICHEL B. 

    Collaboration(s)

    S. Deville (LSFC,CNRS/Saint-Gobain, Cavaillon)

    Financements

    ERC FREECO (2011-2017)

    Publications

    • Saint-Michel, B., Georgelin, M., Deville, S., & Pocheau, A. (2017). Interaction of multiple particles with a solidification front: From compacted particle layer to particle trapping. Langmuir, 33(23), 5617-5627.
  • CoPerMix - De nouvelles visions et de nouveaux outils pour le mélange

    De l’échelle moléculaire à l’échelle planétaire, le mélange est un phénomène nécessaire qui intervient dans des activités humaines et naturelles. Il décrit l’évolution de la concentration d’une substance dans un substrat continu qui peut se déformer. Des approches prédictives qui tiennent compte des nombreuses facettes de la dynamique du mélange dans une grande variété d’applications et de domaines sont en train d’émerger. Le projet CoPerMix, financé par l’UE, formera une nouvelle génération de scientifiques et d’ingénieurs pour les doter de nouvelles visions et de nouveaux outils pour le mélange, afin de répondre au besoin croissant de comprendre et de prévoir les processus de mélange dans les applications environnementales et industrielles.

    Objectif 

    Le mélange est la science qui décrit l'évolution de la concentration d'une substance (traceurs, produits chimiques, chaleur, bactéries...) dans un substrat continu qui se déforme éventuellement. Il s'agit également d'un processus ou d'un phénomène nécessaire qui se produit à chaque échelle, de la molécule à la planète, dans toutes les activités humaines et naturelles hors équilibre. La plupart des approches de mélange utilisées dans la science et l'ingénierie sont basées sur des approches de champ moyen ou des modèles de mélange phénoménologique, qui mettent l'accent sur la dynamique par des coefficients efficaces tels que le mélange des micro-échelles, les diffusivités, ou sur la caractérisation purement descriptive du mélange par des mesures d'entropie par exemple. Une approche prédictive qui tient compte des nombreuses facettes de la dynamique du mélange dans une grande variété d'applications et de domaines est cependant en train d'émerger : Elle consiste à visualiser un mélange comme un ensemble, comprendre comment elles sont étirées et dispersées par le flux, une étape que nous appelons le brassage. 

    Cette première étape fournit les outils nécessaires pour coupler la diffusion moléculaire, conduisant à la description statistique complète du mélange c'est-à-dire la distribution complète de la concentration. Dans ce sens et par opposition aux approches traditionnelles, cette vision perturbatrice a suscité de nouvelles méthodes numériques et expérimentales. Elle offre une vision transformatrice du mélange pour en envisager l’impact dans des domaines variés et pour apprendre du milieu d'agitation lui-même. 

    Une nouvelle génération de scientifiques et d'ingénieurs est nécessaire pour cela, devant être conscient de ces questions fondamentales et doté de nouvelles visions et de nouveaux outils pour le mélange afin de répondre aux le besoin croissant de comprendre et de prévoir les processus de mélange dans les applications environnementales et industrielles. 

    Le réseau de formation CoPerMix propose de relever ce défi en mettant en place une formation innovante et entrepreneuriale qui renouvelle radicalement les méthodes et les approches du sujet et intègre cette nouvelle vision stratégique de mélange dans des programmes universitaires de premier plan.

    https://cordis.europa.eu/project/id/956457/fr 
    https://www.copermix-itn.eu 
     
    mélange_Snapseed
  • Fissures dans un milieu granulaire cohésif indenté

    Nous étudions la propagation de fissures dans un matériau granulaire cohésif soumis à une indentation. Le milieu étudié est composé de billes de verre mélangées à une huile silicone. L’expérience est réalisée dans un tomographe à rayon X, ce qui nous permet un suivi en 3 dimensions de la propagation des fissures, et aussi du champ de déformations. Grâce aux résultats expérimentaux et à une modélisation théorique, nous cherchons à comprendre le mécanisme à l’origine de la fissuration du matériau.

    Indentation of granular medium

     

    Participants

    • DALBE Marie julie
    • VANDENBERGHE Nicolas

    Postdoc / Doctorant / Master

    • JODLOWSKI Pierre

    Financements

    • Financement IRPHE

    Contact

    marie-julie.dalbe_AT_univ-amu.fr

    nicolas.vandenberghe_AT_univ-amu.fr

  • Instabilités de flambage de plaques circulaires

    Les structures minces sont largement présentes autour de nous, qu’elles soient issues de l’industrie (plaques et coques pour les carénages et carrosseries... ) ou dans dans la nature (feuilles de végétaux). Lorsqu'on applique des contraintes sur ces structures, elles se déforment principalement en se courbant, avec possibilité d'apparition de zones très localisées où se concentre toute l'extension, ce qui peut conduire à des déformations irréversibles. En adaptant la contrainte, ces zones focalisées peuvent se déstabiliser et se propager, laissant alors un sillage caractéristique comme celui que l'on peut observer en dépliant une feuille de papier froissé. 

    L'apparition de ces zones focalisées est souvent le fruit d’instabilités permettant au système sous contraintes de bifurquer d’un état de déformations diffuses à un état de déformation localisée.

    De manière générale, ces déformations plastique, lorsqu’elles sont controlées, telles que les plis, ont un fort impact sur les propriétés mécaniques des structures notamment en les rigidifiant significativement. Cette propriété est largement utilisé dans les constructions architecturales, les carénages de véhicules ou même dans l’art de l’origami. L’ensemble de ces situations révèle alors un lien étroit entre géométrie et propriétés physiques (mécaniques).

    Afin de comprendre ce lien, nous considérons des systèmes modèles de plaques minces sur lesquels nous cherchons à caractériser les régimes de déformations et notamment les mécanismes d’apparition des zones de déformation focalisées. Une des perspectives consiste à caractériser ces transitions par la reconstruction des surfaces déformées en s’inspirant de la méthode de déflectométrie. Cela pourrait permettre, à terme, de suivre la dynamique, parfois explosive,   d’évolution de ces zones focalisées ainsi que de mettre en évidence les modes vibratoires engendrés lors des transitions de forme de la plaque.

     

    Disk

    Participants

    • DESCHAMPS Julien
    • BOEDEC Gwenn

    Publications

    • Suzanne, T., Deschamps, J., Georgelin, M., & Boedec, G. (2022). Indentation of an elastic disk on a circular supporting ring. Physical Review E, 106(6), 065002.
    • Boedec, G., & Deschamps, J. (2021). Disk wrinkling under gravity. International Journal of Solids and Structures, 233, 111214.
  • Propagation de fronts réactifs dans des écoulements turbulents

    L'interaction d'un front réactif avec un écoulement turbulent est une situation courante en combustion gazeuse, mais qui présente des difficultés d'analyse au niveau théorique et pratique du fait des fortes vitesses de propagation, de l'expansion des gaz et la modification de l'écoulement qui en résulte. Une situation limite intéressante à modéliser est la propagation d'une flamme sans expansion. Des réactions autocatalytiques dans des solutions aqueuses permettent de l'atteindre.

     

     

     

    Participants

    • LE BARS Michael
    • ALMARCHA Christophe
    • TAWDI Nihal

    Collaboration(s)

    IRSN

    Financements

    IRSN

    Ecole Doctorale

    turbulence grilles
  • Projet ECOSAFE

    Participants

    • ALMARCHA Christophe
    • DENET Bruno
    • BOIVIN Pierre
    • ANSELMET Fabien
    • MAZZONI Daniel
    • AMIELH Muriel

    Financements

    Financement ANR

  • Impact de gouttes et érosion

    L'impact de goutte sur des surfaces solides peut conduire à l'érosion de celles-ci, que ce soit dans un contexte naturel ou industriel (pales d'éoliennes, turbines à vapeur,...). Cependant, de nombreuses questions physiques liées au processus d'érosion restent encore ouvertes. Ce projet vise à étudier comment la géométrie de la surface d'impact pourrait jouer un rôle dans ce processus. Pour cela, nous faisons impacter des gouttes dans une cavité cylindrique (figure a). La présence de la cavité change notablement la dynamique d'impact (figure b - bas) par rapport à l'impact sur une surface plane (figure b - haut). Elle engendre également une force d'impact significativement plus élevée sur la surface (figure c).

    Impact de gouttes

    Participants

    • BOEDEC Gwenn
    • DESCHAMPS Julien

    Financements

    • IRPHE

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