Instabilités, turbulence multiphasique

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Présentation

Le thème « Instabilités, turbulence, multiphasique » porte sur les phénomènes de transport multiphasique du point de vue des instabilités engendrées par le mouvement de particules, des effets de la turbulence, du changement de phase, des interfaces et surfaces libres ainsi que la complexité des géométries.

Instabilités de trajectoires de sphères, disques, ellipsoïdes et bulles ; transition à la turbulence dans les sillages, réceptivité d'écoulements linéairement stables

Nous nous intéressons aux instabilités dans les sillages et leur effet sur la trajectographie des particules se déplaçant dans les fluides sous l'effet de gravité. L'activité bénéficie d'un code propre spectral développé sur la base de l'analyse théorique de la brisure de l'axisymétrie due à la transition à la turbulence. Il s'agit d'une situation très répandu intervenant pour tout objet solide indéformable ou déformable mais axisymétrique au repos, placé dans un fluide newtonien et soumis à la gravité. Les faibles coûts et la précision des simulations nous ont permis d'être les premiers ou parmi les premiers sur des sujets aussi fondamentaux que la prédiction exacte des différents régimes de trajectoires de particules sphériques [2-ZD15], disques [2-CBD13] et ellipsoïdes en chute ou en ascension libre. Certaines publications font référence (article Jenny et al., JFM 2004) et nos résultats servent de benchmark pour valider des codes simulations multi-particules à l'IFH du KIT [2-UD14]. Notre base de données est à disposition de la communauté scientifique. Les diagrammes d'états publiés illustrent les effets de la transition sur les trajectoires et permettent de rapprocher les prédictions numériques et théoriques des observations expérimentales. Actuellement les travaux se poursuivent avec l'étude de la stabilité de la trajectoire d'une bulle (déformable). Nous sommes les premiers à avoir obtenu une courbe de stabilité marginale tenant compte de la déformation de la bulle suite à l'instabilité. Deux autres sujets fondamentaux ont aussi été abordé au cours du quinquennal. Des simulations directes de la transition à la tridimensionnalité dans le sillage d'un cylindre ont permis d'expliquer des observations expérimentales datant des années 80 [2-ABD11,2-ABD14] . Une étude numérique et théorique a abouti à la proposition d'un nouveau cadre théorique expliquant la turbulence dans des écoulements ne subissant pas d'instabilités linéaires [2-SDD11].

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Modélisation du givrage, turbulence instationnaire, interaction chocs-couche limite, particules dans les vaisseaux sanguins et voies aérienne, interaction fluide-structure

Nous contribuons d'une manière significative au développement du code NSMB dans le cadre du consortium regroupant les sociétés CFD Engineering et RUAG Aerospace (Suisse) ainsi qu'un un certain nombre de laboratoires universitaires (IMFT et des laboratoires de l'EPF-Lausanne, ETH-Zurich, TU München, UniBw, München). Le code est, par ailleurs utilisé à KTH, par Airbus-France et EADS-ST. Grâce au consortium, nos contributions sont mises à disposition de plusieurs équipes de recherches européennes. Pour augmenter la sécurité des vols et réduire le nombre d'accidents liés aux effets du givrage, ainsi que pour améliorer les certifications des avions à voler dans toutes les conditions météorologiques, il est nécessaire de développer un outil efficace de simulation de givrage. La prédiction de l'accumulation de glace d'où résulte une dégradation des performances des avions est l'un des grands défis pour la communauté scientifique en aéronautique. Nous avons développé au sein du code NSMB une approche originale basée sur une formulation eulérienne de transport de gouttelettes d'eau, un modèle d'équations aux dérivées partielles pour la thermodynamique du givrage et pour la première fois une méthodologie level-set pour l'accumulation de la glace. La méthode level-set s'est montrée très efficace en 2D comme en 3D et elle simplifie énormément le givrage multi-couches avec du verglas [2-PLH16, 2-PDLH15, 4-HPHL15]. La modélisation de la turbulence instationnaire où l'on retrouve des structures cohérentes persistantes à des nombres de Reynolds très élevés et des structures chaotiques dues à la dynamique des mouvements turbulents à caractère non-organisé reste un domaine de recherche très actifs. Nous nous intéresserons ici aux modèles hybrides RANS-LES (DES, DDES, IDDES, SAS, PANS) ou aux modèles avancés de type OES, AOES qui sont implémentés dans le solveur NSMB et testé sur de nombreuses configurations en aérodynamique externes ou internes. Un intérêt particulier est porté à la prédiction des interactions ondes de choc – couches limites turbulentes et aux interactions fluide-structure (instabilités fluide-élastique dans les faisceaux de tubes, aéro-élasticité). Nous avons ainsi pu démontrer la pertinence des simulations 2D pour le couplage fluide-structure comparées aux modèles 3D ou LES [2-EHCC16, 2-SLBB16, 4-EHDS16, 2-SMHD14, 4-HDPD14]. Nous bénéficions également du haut niveau des activités dans le domaine du bio-médical à Strasbourg. Nous avons développé des outils pour pouvoir extraire des géométries réalistes à partir d'imageries médicales que nous avons appliqués à l'imagerie du petit animal [4-CG4F16, 4-XHCG12]. Nous avons ainsi étudié le transport et le dépôt de particules dans des voies aériennes et une collaboration avec l'université de Monash pour les poumons et l'IR4M pour les réseaux sanguins est en cours.

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Convection de Rayleigh-Bénard, visualisation de panaches thermiques (« plumes »), microfluidique, formation de gouttes

Le volet expérimental du thème ITM concerne l’étude des panaches thermique dits « plumes » en convection turbulente de Rayleigh-Bénard et la microfluidique. Les « plumes » sont des particules de fluide chaud ou froid qui se détachent des couches limites thermiques et transportent l’essentiel de la chaleur entre ces deux couches limites. Les « plumes » sont visualisées par la méthode LIF (Laser Induced Fluorescence). Cette méthode a été développée en collaboration avec G. Castanet du LEMTA. Les premiers résultats obtenus sont encourageants et ont permis d’évaluer la température des « plumes » et leur comportement au sein de la circulation à grande échelle [4-FRC15]. Nous sommes en train d’améliorer la technique pour pouvoir être plus quantitatif. L’influence de la rotation de la cellule sur la circulation à grande échelle et le comportement de plumes est ainsi étudiée en collaboration avec l’équipe d'E. Bodenschatz de l’Institut Max-Planck de Götttingen. Dans la thématique microfluidique, des capteurs fluorescents pour le criblage haute fréquence en microsystèmes sont en cours de développement avec N. Dumas de l’équipe SMH d’ICube. Le but de ce projet est de déterminer les conditions hydrodynamiques nécessaires pour former des gouttelettes monodispersées et effectuer des tests biologiques sur ces gouttelettes. Les applications visées sont les analyses médicales par criblage. Une collaboration avec P. Villa de la Plateforme de Chimie Biologique Intégrative a débuté et des collaborations avec les biologistes seront amenées à se développer.

Hydrodynamique et transport de particules dans les ouvrages de décantation

Nos compétences acquises dans le domaine de la modélisation de la turbulence et du transport de particules nous ont conduit à envisager des recherches à caractère plus finalisé portant sur la simulation tridimensionnelle des écoulements à surface libre au sein d’ouvrage hydraulique de régulation ainsi que sur la modélisation du transport des Matières En Suspension (MES) interceptées à travers les ouvrages de dépollution tels que les bassins. Nous avons ainsi été les précurseurs de l’introduction et de l’utilisation de la CFD dans le domaine de la modélisation des réseaux d’assainissement séparatifs et unitaires. Nous avons montré comment mettre en œuvre l’instrumentation d’ouvrage de régulation (permettant d’obtenir les données indispensables à l’autorité de gestion) grâce à l’utilisation de l’outil CFD parfaitement maitrisé dans l’équipe [10-IFVD14, 2-IDFV14]. Cette recherche a conduit à la création d’une startup (3D Eau) issue de l’équipe MECAFLU du laboratoire (et tout particulièrement José Vazquez et Matthieu Dufresne). L’objectif de la startup est de mettre en œuvre dans le domaine de l’ingénierie le savoir-faire en CFD mis au point au sein de l’équipe pour l’étude des ouvrages hydrauliques complexes. Un contrat de valorisation a été signé entre le laboratoire et l'entreprise. 3D EAU a été lauréate du concours Emergence 2014 d'aide à la création d'entreprises de technologies innovantes (Ministère de l'Enseignement Supérieur et de la Recherche).