Milieu naturel, environnement, univers

Le transport de particules anisotropes par un écoulement turbulent est une question clé dans de nombreuses applications industrielles et environnementales. Quantifier l'influence de la forme des particules est ainsi un enjeu majeur pour modéliser la dispersion des microplastiques dans les courants océaniques, la formation des nuages. C'est aussi une question majeure dans le refroidissement des centrales électriques où l'eau des rivières charriant divers types de particules doit être filtrée avant d'être utilisée dans les circuits de refroidissement.

Malgré ces nombreuses applications, la grande majorité des études fondamentales en turbulence Lagrangienne s'intéressaient à des particules sphériques jusqu'aux années 2010. A cette période, nous avons commencé à étudier la dynamique de particules anisotropes en turbulence. Nous avons d'abord caractérisé expérimentalement et numériquement les statistiques de déformations de fibres flexibles [1,2] et utilisé ces études pour modéliser la fragmentation de fibres flexibles en turbulence [3]. Ce dernier point avait principalement pour but de comprendre la distribution de taille des microplastiques mesurée à la surface des océans. Nous avons également caractérisé la dynamique rotationnelle de fibres rigides inertielles dans des écoulements turbulents. Ces études suggèrent que les particules s'orientent préférentiellement le long des filaments de vorticité même lorsque les fibres sont plus grandes que l'échelle de Kolmogorov [4,5].

Actuellement, nous sommes en train d'étudier l'influence des déformations sur la dynamique des fibres et d'étendre nos résultats à des objets bidimensionnels, type disque [6]. Ces objets étant fréquents dans diverses applications (feuilles d'arbre dans les rivières, emballage plastique, ...)

Participants

• VERHILLE Gautier
• FAVIER Benjamin

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Lors de la formation de la Terre par accrétion, de gigantesques volumes de fer apportés par les derniers planétésimaux impactant ont sédimenté au sein d'un océan de magma pour atteindre le noyau de la proto-Terre. Ces derniers instants de la formation de la Terre sont mal connus d'un point de vue dynamique (fragmentation ? échanges ?), alors qu'ils fixent les conditions thermiques et chimiques initiales de notre planète, et influent donc sur toute son histoire future.

Nous étudions donc cette dynamique de sédimentation et fragmentation d'un métal liquide dans un environnement visqueux en combinant expériences modèles de laboratoire et simulations numériques. Nous nous focalisons notamment sur l'influence du saut de viscosité à l'interface entre fer liquide et magma, qui modifie significativement les régimes de fragmentation, les distributions de tailles de goutte, les vitesses de sédimentation, et donc l'efficacité des échanges thermochimiques.

Sur la base des mêmes outils expérimentaux et numériques, nous étudions également les régimes dits de neige de fer, récemment évoqués pour expliquer les dynamos dans les noyaux potentiellement stratifiés stables de Mercure et Ganymède : le challenge est alors de comprendre le comportement collectif d'un nuage de particules sédimentant dans un environnement stratifié stable, mais potentiellement déstabilisé par la fonte de cette neige.

Participants

• FAVIER Benjamin
• LE BARS Michael
• TERRIEN Louise

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L'objectif de ce travail est d'étudier le potentiel que peut offrir la surveillance acoustique distribuée (DAS : Distributed Acoustic Sensor) pour détecter, classifier, localiser et quantifier les zones faibles, les fuites et l'érosion interne, ainsi que les anomalies hydrauliques et mécaniques, à l'intérieur des digues et de leurs fondations sur de grandes distances (plusieurs dizaines de km). Cette surveillance acoustique distribuée est basée sur l’utilisation de systèmes à fibres optiques (DAS) qui seront mis en œuvre et utilisés dans le cadre d’un partenariat avec la Société Cementys. Le travail comporte plusieurs volets : i) analyse théorique et numérique des vibrations générées par une fuite se propageant à l’intérieur d’un corps de digue (ou de ses fondations), et du rayonnement acoustique que cela induit. Modélisation de la propagation de ce rayonnement acoustique au sein de la digue (niveaux induits et fréquences). L’objectif de ce premier travail est de quantifier les niveaux sonores et de déterminer quelles signatures caractéristiques peuvent être associées à des fuites de différentes amplitudes (en termes de débits et de diamètres des conduits qui sont créés). ii) Sur la base de ce premier travail, des mesures effectuées sur l’installation de Hole Erosion Test (HET) de l’IRSTEA d’Aix-en-Provence seront interprétées en croisant des données issues de mesures classiques pour les études géotechniques et des mesures effectuées avec la surveillance acoustique distribuée (validation des modèles numériques d’interprétation et d’inversion). iii) Des mesures effectuées dans le canal Herode d’IRPHE (configuration semblable à celle étudiée par Grégory Charrier pour sa thèse) puis sur le site instrumenté mis en place en Camargue dans le cadre du projet H2020 (digue artificielle d’environ 200 m de long, 2 m de haut et 4 m de large) permettront de valider/comparer les résultats sur des configurations géométriques plus proches de celles des ouvrages réels.

Participants

• ANSELMET Fabien

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La gestion de la qualité radiologique des cours d’eau implique d’évaluer les flux solides et les pollutions radioactives qui leurs sont associées. Les radionucléides émis par l’industrie nucléaire dans les cours d’eau se trouvent sous deux formes principales : une forme dissoute dans l’eau (colonne d’eau ou eau interstitielle du sédiment) et une forme particulaire dans laquelle ils sont adsorbés à la surface des particules solides. Ainsi, la concentration totale des radionucléides est la somme de ces deux formes dont le fractionnement conditionne les temps de transferts, les échanges entre le sédiment et la colonne d’eau et la biodisponibilité des radionucléides. L’évaluation de la concentration massique des radionucléides sur les particules peut couvrir une incertitude de plusieurs ordres de grandeur en raison de la forte variabilité du fractionnement liquide-solide en fonction des couples radionucléides-particules et des conditions physico-chimiques. L’un des principaux facteurs de cette variabilité est la granulométrie des particules du fait de la forte dépendance de leur capacité d’adsorption à leur surface spécifique : plus les particules sont fines, plus leur surface spécifique est importante et plus elles sont susceptibles d’adsorber les radionucléides. Alors que la charge en suspension des particules transportées par les rivières est plus ou moins bien évaluée par des lois empiriques de type charge-débit, il n’existe pas de méthode pour prévoir leur granulométrie. Le but de ce travail est de proposer une approche pour évaluer cette granulométrie à partir des relations charge-débit et des caractéristiques des cours d’eau.

Pour cela, un modèle est développé, qui couple une approche dite à résistance, appliquée initialement aux aérosols, et le profil de Rouse qui représente les transferts verticaux des particules dans la couche turbulente d’un écoulement. Ce modèle intègre les processus d’érosion et de sédimentation, la diffusion moléculaire au sein de la sous-couche visqueuse à l’interface du sédiment et de la colonne d’eau, et les diffusions moléculaires et turbulentes dans l’écoulement. L’approche est testée sur un dispositif expérimental constitué d’une cuve d’eau agitée de façon à produire des gradients verticaux contrôlés de turbulence, de concentrations et de granulométrie des particules. Elle est également confrontée aux données charge-granulométrie-débit fournies par la Station Observatoire des Sédiments du Rhône (SORA) de l’IRSN située à Arles.

Participants

• AMIELH Muriel
• ANSELMET Fabien

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Nous nous intéressons à la génération de motifs à l'interface entre les phases solide et liquide d'un même composé pur, dans le cas particulier oùla phase liquide est mise en mouvement par des forces de flottaison.Ce type de configurations existe sous les couches de glaces marines ou encore à l'intérieur du noyau terrestre. L'objectif est de comprendre l'origine et la rétroaction sur l'écoulement de motifs non-triviauxà l'interface liquide-solide. Nous utilisons pour cela une méthode numérique de suivi implicite de l'interface, appelée méthode de champ de phase, couplée à une méthode aux frontières immergées. Nous avons d'ores et déjà étudié le cas classique de la convection de Rayleigh-Bénardoù nous avons montré que la topographie créée parl'écoulement peut stabiliser la convection et ainsi augmenter le flux de chaleur transporté. Notre méthode peut se généraliser à d'autres configurations telles que la dissolution ou l'érosion.

Participants

• DUCHEMIN Laurent
• FAVIER Benjamin
• PURSEED Jhaswantsing

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Les océans, les atmosphères planétaires, les disques d'accrétion, constituent autant d'exemples de systèmes naturels mettant en jeu des écoulements dans des milieux stratifiés tournants. Nous cherchons donc à comprendre la dynamique de tels systèmes en combinant expériences modèles de laboratoire et simulations numériques haute performance. Nous nous intéressons notamment :

• à la stabilité des tourbillons de type "pancake" ou flottans, tels que la Grande Tache Rouge de Jupiter, les clusters de tourbillons aux pôles de Jupiter, ou les meddies de l'océan Atlantique,

• aux instabilités générées dans de tels systèmes, 

• à l'origine profonde des bandes de Jupiter et à leur couplage avec la dynamique atmosphérique de surface telle que nous l'observons (bandes et tourbillons).

Participants

• FAVIER Benjamin
• LE BARS Michael
• LE GAL Patrice
• MEUNIER Patrice
• AULNETTE Marine
• BENZEGGOUTA Djihane
• CHAUCHAT Antoine

Autre(s) participant(s)

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Comme tous les fluides en rotation, les enveloppes fluides des planètes et des étoiles sont le siège de mouvements oscillatoires appelés ondes inertielles, dont la fréquence se situe entre plus ou moins deux fois la fréquence de rotation. Ces ondes peuvent être excitées par des processus naturels tels que la libration, la précession et les marées gravitationnelles, correspondant respectivement à des perturbations régulières de la vitesse de rotation, de la direction de l'axe de rotation, et de la forme des systèmes planétaires. Différents écoulements peuvent alors être générés par forçage direct ou par résonance paramétrique d'ondes inertielles. La compréhension de ces écoulements et l'étude de leurs répercussions planétaires et stellaires constituent l'objet de nos recherches.

Plus précisément, nous nous focalisons actuellement sur deux challenges fondamentaux, en combinant les approches théoriques, expérimentales et théoriques : caractériser la turbulence générée par ces forçages mécaniques, et caractériser les dynamos qui leur sont éventuellement associées. Au delà de ces questions fondamentales, notre objectif est de déterminer, dans le cadre de collaborations toujours plus fortes avec des collègues géophysiciens et astrophysiciens, les observables des systèmes planétaires et stellaires indubitablement reliées aux aspects rotationnels de leur mécanique des fluides.

Des questions similaires se posent dans les fluides stratifiés, notamment les océans de subsurface des satellites de glace, où les ondes internes de gravité peuvent être excitées par les forçages harmoniques. Une turbulence d'ondes internes peut alors être excitée, dont nous cherchons à mesurer l'efficacité de mélange.

Participants

• FAVIER Benjamin
• LE BARS Michael
• LE DIZES Stephane
• MEUNIER Patrice
• NOBILI Clement

Autre(s) participant(s)

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La principale motivation de ce projet est l’étude de l’effet des courants cisaillés verticalement de vorticité arbitraire, sur la cinématique et la dynamique des ondes de surface (vagues). Ces courants cisaillés ne peuvent pas être négligés au voisinage des côtes, par exemple, où ils sont générés par les marées et aussi par l’effet combiné du vent et du frottement au fond de la mer.  Les effets de la capillarité sont aussi pris en compte. Les études menées sont théoriques, numériques (côté français) et expérimentales (côté taiwanais où des installations expérimentales de grandes tailles, comme le canal du Tainan Hydraulics Laboratory de 300m x 5m x 5m, sont disponibles).

Des études de l’effet de la vorticité sur les ondes propagatives 2D, non linéaires et de forme permanente, ainsi que leur stabilité en 3D, ont été conduites dans la thèse de W. Seez. Il a été montré que le signe de la vorticité est important aussi bien pour la forme des vagues, pour les taux de croissance des instabilités et pour l’interprétation de ces instabilités en terme d’interactions résonantes entre ondes.

L’étude de l’effet de la vorticité sur des vagues extrêmes (vagues scélérates) est aussi envisagée. La prévision d’occurrence de ces vagues extrêmes, telles que les vagues scélérates est importante pour la France et Taiwan. Dans ce contexte, nous avons soumis (en 2018) un projet ANR bilatéral (porté par Malek Abid) intitulé « Modélisation des vagues extrêmes dans les zones côtières et au large ». Ce projet implique cinq laboratoires (appartenant à trois universités différentes) et Météo-France, du côté français, et trois laboratoires (appartenant à trois universités différentes) et le Central Weather Bureau du côté taiwanais.

Participants

• ABID Malek

Autre(s) participant(s)

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Nous souhaitons caractériser le champ d'ondes de gravité-inertie émises par des régions turbulentes au sein de milieux stratifiés et tournants. Cette juxtaposition de zones turbulentes connexes à des zones stratifiées se retrouvent dans différents contextes géo ou astrophysiques : on peut penser par exemple aux zones convectives et radiatives des étoiles, aux noyaux planétaires, ou encore à l’atmosphère ou aux océans. Les sources turbulentes peuvent donc être localisées ou non dans le temps et en espace. Dans tous les cas, les ondes émises se propagent dans le milieu stratifié tournant en transportant de l’énergie et de la quantité de mouvement. Elles constituent donc une signature à longue distance de la source qui les a générées. De plus, ces ondes peuvent déferler, rétroagir sur l’écoulement moyen et donc laisser leur empreinte sur le système bien après l’extinction de la source qui leur avait donné naissance. Nous abordons ce problème générique à l’aide d’expériences de laboratoire en similitude avec les processus réels. Nous utilisons pour cela une stratification d’eau salée, ou encore la convection pénétrante dans de l’eau autour de 4°C, ou enfin un mélange de gaz lourd dans de l'air pour étudier l'influence du nombre de Prandtl. Des simulations numériques directes, dans des géométries cartésiennes et sphériques, viennent compléter les études expérimentales.

Participants

• LE BARS Michael
• LE GAL Patrice
• FAVIER Benjamin

Autre(s) participant(s)

Collaboration(s)

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Participants

• LE GAL Patrice
• GSELL Simon

Autre(s) participant(s)

Les mouvements de grande échelle de la couche basse de l’atmosphère (la troposphère) sont en partie dus à une convection dite humide. Ici, la source de flottabilité est la chaleur relâchée lors de la condensation de gouttelettes d’eau. Ce régime de convection est très différent de la convection de Rayleigh-Bénard et produit des effets d’auto-emballement responsables notamment de la formation spectaculaire des cumulonimbus (fig. 1 gauche). L’échelle et la géométrie des écoulements produits est donc très différente du cas classique : une convection dite "popcorn" se met en place, caractérisée par des mouvements ascensionnels localisés et intenses et des écoulements de retour plus diffus (fig. 1 droite).

Nous étudions ce régime de convection humide dans une expérience modèle de laboratoire complétée par des simulations numériques. Nous nous intéressons aux échelles et vitesses des écoulements générés, ainsi qu’au transfert thermique résultant, en comparant aux paramétrisations classiquement utilisées en météorologie.

Participants

• LE BARS Michael
• DOREL Valentin

Collaboration(s)

Nous nous intéressons aux ondes internes et inertielles qui sont présentes dans les fluides stratifiés ou en rotation, et plus particulièrement aux singularités qu’elles développent. Ces singularités peuvent être de deux types. Elles peuvent être associées à des singularités locales de la frontière du domaine, telle qu’un coin ou un point critique (point où la frontière est tangente à la direction de propagation de l’onde), ou être dues à la présence d’un attracteur, qui est une région du volume de fluide le long de laquelle les ondes se concentrent. Notre objectif est de décrire la structure de l’écoulement généré par ces singularités, et de comprendre leur rôle dans la dynamique d’un fluide en rotation ou stratifié lorsque celui-ci est soumis à un forçage périodique. 

Participants

• LE DIZES Stephane
• LE BARS Michael

Autre(s) participant(s)

Collaboration(s)

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Face au problème du réchauffement climatique lié à l'effet de serre, le stockage de CO2 dans les aquifères salins profonds est souvent perçu comme une des solutions les plus prometteuses. Dans ces structures poreuses remplies d'eau salée et fermées sur le dessus par une couche imperméable, la dissolution du CO2 est gouvernée aux temps longs par une instabilité convective de la couche diffuse de CO2. Malgré de nombreuses études numériques de cette instabilité en deux dimensions, il existe très peu d’études de cette instabilité en 3D, car les études numériques 3D requièrent des ressources informatiques (notamment en RAM) très importantes. Expérimentalement, il existe quelques études récentes en cellule de Hele-Shaw 2D mais aucune étude tridimensionnelle. Le but global du projet est d'étudier cette instabilité dans un milieu poreux 3D rendu transparent par adaptation de l'indice optique du fluide à celui de la phase solide. Ces résultats quantitatifs serviront à améliorer l’estimation du taux d'ingestion de CO2 dans les aquifères salins profonds.

Participants

• MEUNIER Patrice

Autre(s) participant(s)

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Participants

• CHEVET Elliot
• BOIRON Olivier
• ANSELMET Fabien

Contexte