Fluides, Automatique et Systèmes Thermiques

L’analyseur de carbone dissous demandé permettra de quantifier le carbone organique dissous (COD) composant principal des matières organiques dissoutes (MOD) des sols, rivières, lacs ou eaux souterraines, i.e. la MO de taille inférieure à 0,45 µm par convention. Il permettra également de quantifier la fraction inorganique dissoute du carbone dans les eaux et les solutions, i.e. le carbone inorganique dissous (CID). Le projet d’achat est motivé par la nécessité de pouvoir quantifier ces paramètres dans les eaux de surface et souterraines ainsi que dans les sols pour mieux comprendre : 1) la dégradation des peintures pariétales dans les grottes sujettes aux vermiculations ; 2) l’écologie microbienne et la formation de microbialites dans les écosystèmes continentaux ; 3) la libération du COD au cours de la fonte du pergélisol participant au changement climatique et 4) les interactions entre les matières organiques dissoutes et les contaminants environnementaux dans les systèmes miniers anciens et leurs relations avec les remédiations. Cet équipement intègrera la plateforme PANOPLY, au sein du pôle géochimie, et sera localisé à GEOPS.

Les matériaux granulaires et les suspensions sont les deuxièmes matériaux les plus manipulés par l'homme. Leur utilisation, par exemple dans l'impression 3D de poudres métalliques, est confrontée à deux défis : la transition de blocage (divergence de la viscosité effective) et le colmatage des constrictions (comme le colmatage des buses d'injection dans les imprimantes 3D). Le projet propose d'étudier une nouvelle approche de ces deux défis : l'utilisation de parois élastiques pour faciliter l'écoulement et réduire la probabilité de colmatage des constrictions. Cette nouvelle approche s'inspire de travaux numériques récents montrant que les parois élastiques réduisent la viscosité effective des suspensions. Le projet vise à développer une preuve de concept de buse d'injection qui ne se colmate pas. Pour ce faire, le projet répondra expérimentalement aux deux questions suivantes : comment l'élasticité des parois diminue-t-elle la viscosité effective d'un matériau granulaire et comment l'élasticité d'une constriction réduit-elle la probabilité de colmatage ? Le développement de buses d'injection innovantes, sans colmatage, et l'amélioration du contrôle de l'écoulement des matériaux granulaires constituent une réponse au défi actuel de réduction de l'utilisation des ressources naturelles et de l'énergie.

Comprendre et modéliser la dispersion et le transport de polluants à la surface des océans constitue un enjeu environnemental majeur. La dynamique d’une telle « phase intermédiaire », continue ou dispersée, couvre une vaste gamme d’échelles, du moléculaire (surfactants) au mètre (radeaux d’algues dérivantes) en passant par le micromètre (particules colloïdales) et le millimètre (mousses, microplastiques). Ces phénomènes dispersion sont bien documentés par des observations et des collectes océaniques, mais la compréhension fine de leur cycle de vie et des mécanismes de fragmentation reste encore lacunaire. Dans ce contexte, des expériences de laboratoire dans des écoulements simples et bien contrôlés sont indispensables pour identifier les mécanismes sous-jacents nécessaires au paramétrage des modèles de dispersion océanique. Le projet TransWaves vise à développer des expériences de laboratoire et des modélisations numériques pour identifier les mécanismes de transport, d’agrégation, de fragmentation et de dispersion de « polluants modèles » dans un champ d’ondes : (1) collection d’objets flottants millimétriques en interaction capillaire (« radeaux granulaires ») ; (2) de plaques minces élastiques et fragiles. Ce projet est construit autour de trois partenaires (FAST, d’Alembert et PMMH), qui ont développé une expertise reconnue dans la dynamique des radeaux granulaires et la dynamique des plaques minces flottantes. L’originalité de ce projet réside dans l’étude directe des processus de fragmentation dans des configurations modèles bien contrôlées : ondes gravitaires propagatives ou deferlantes, ondes capillaires stationnaires (Faraday)… La mise en œuvre de diagnostiques optiques avancés permettra d’identifier les mécanismes physiques sous-jacents, et d’en déduire les lois d’échelles pertinentes afin d’extrapoler les résultats obtenus à l’échelle océanique.

How and when plate tectonics (PT) developed on Earth, and why the Earth is currently the only rocky planet of the solar system with PT, are two of the main enigmas of Earth and Planetary Sciences. The evolution of a planet is conditioned by heat transfer in its most viscous envelope, the mantle. This heat transfer is mostly due to convection, and strongly depends on the convective patterns, which in turn depends critically on mantle rheology. However, the link between rock rheology at small time- and length-scales, and mantle « effective » rheology at the long/large scales of mantle convection is still missing. I propose that it resides in the meso-scale structure of the mantle and lithosphere that are acquired through convective motions and partial melting. Hence, deciphering the evolution of the Earth or any other planet requires describing and understanding the interplay between « texture » (i.e. material multi-scale organization), rheology, two-phase flow and convection. Our team recently showed that aqueous nanoparticle colloids, fluids commonly used by soft matter physicists, can reproduce planetary phenomena such as one-sided subduction, and the two-phase flow dynamics of mid-ocean ridges. Building on this, SOFT-PLANET will combine convection in these soft materials with state-of-the-art visualization techniques to relate surface morphology (including faults, wrinkle ridges and volcanism), lithospheric structure and internal flow patterns, and characterize the development of texture and rheology from the nano-scale to the macro-scale of convection. SOFT-PLANET will map the different regimes of convection that can develop, and will derive a physical understanding of each. This new physical framework, together with geomorphology observations, will be used to decipher the current state of Venus, and the divergent evolution of Venus, Mars and the Earth.

L'objectif du projet est de quantifier l'importance des mécanismes de friction solide dans les assemblages structurés de fibres, comme dans les fils ou les tissus. Dans le cas d'arrangements de fibres comme dans un fil ou un tissu, la tenue mécanique se propage sur des distances très grandes devant la taille des fibres individuelles. Dans le but de caractériser cette tenue mécanique, nous proposons des expériences visant à quantifier les forces de frictions, la plasticité des assemblages et la métastabilité de ces systèmes aux échelles des fils de fibres torsadées, des contacts entre fils, et de tissus modèles. L'étude expérimentale de systèmes modèles dans lesquels la friction à une échelle donnée est contrôlée est proposée. En particulier les liens entre les comportements macroscopiques moyens (modules élastiques, endommagement,…) ou variables (fluctuations de contraintes,...) et les sources individuelles de frictions seront étudiés. Les résultats expérimentaux seront complétés par un modèle numérique de fibres frictionnelles en contact qui permettra des études paramétriques systématiques.

Lorsque l'isotope le plus commun de l'hélium est refroidi à une température inférieure à 2.17K, il apparaît dans une phase fluide atypique appelée He II. Celle-ci consiste en un mélange d'un fluide normal, visqueux, et d'un superfluide, non-visqueux, qui interagissent par des forces de friction mutuelle. De manière remarquable, la vorticité de la composante superfluide de l’He II est localisée dans des tourbillons de taille atomique et dont la circulation (l'intégrale de la vitesse sur une boucle fermée) est quantifiée par le rapport entre la constante de Planck et la masse de l’atome d’hélium: on parle de tourbillons quantiques. La description de la dynamique de l'He II dans son intégralité reste toutefois à ce jour un défi et il n'existe pas encore de théorie unifiée capable de décrire l’ensemble des régimes et des échelles des écoulements d'He II. Ce projet se concentre sur l'interaction entre les tourbillons quantiques, briques élémentaires des écoulements de superfluide, et la composante normale du fluide lorsque l’He II est mis en rotation et soumis à un flux de chaleur. Nous considérerons trois configurations. Dans la première, nous étudierons un récipient d’He II soumis à une rotation d’ensemble dans lequel un réseau hexagonal de tourbillons quantiques est attendu. Nous modulerons lentement le taux de rotation de l’He II pour pouvoir étudier la dynamique associée de création ou de disparition de tourbillons quantiques. Nous étudierons ensuite un écoulement d’He II en rotation forcé par un flux de chaleur modéré (éventuellement oscillant), dans lequel nous caractériserons les instabilités conduisant à la propagation de modes ondulatoires de Kelvin, de Tkachenko et d'inertie dans le réseau de tourbillons quantiques et leur interaction avec les ondes d’inertie dans la composante classique de l’He II. Nous étudierons finalement l'écoulement d’He II en rotation forcé par un flux de chaleur intense pour lequel nous nous concentrerons sur les interactions et les reconnexions entre tourbillons quantiques et sur l'état de turbulence quantique que nous atteindrons finalement. Cette étude sera réalisée grâce à des expériences et des simulations numériques innovantes et coordonnées pour décrire la « transition à la turbulence quantique » que la succession de ces trois configurations forment ensemble. Dans les expériences, nous utiliserons des techniques avancées de visualisation des tourbillons quantiques dans un cryostat tournant et, dans les simulations numériques, une nouvelle approche qui s’appuie sur un traitement auto-consistant du couplage entre tourbillons quantiques et fluide normal. Grâce à ces approches complémentaires et au tout meilleur niveau scientifique et technologique actuel, nous apporterons un nouvel éclairage sur la dynamique de l'He II et ouvrirons la voie à des avancées théoriques concernant la transition à la turbulence quantique.

Le projet Slide2Wave vise à déterminer les mécanismes physiques contrôlant l’entrée d’écoulements gravitaires dans l’eau associée à la génération de tsunami, pour une meilleure évaluation des aléas. Si les séismes sont une source potentielle bien connue de tsunami (avec des systèmes de surveillance adaptés), d’autres sources telles que des éruptions volcaniques avec glissements de terrain ou écoulements pyroclastiques ou encore retombées de colonnes éruptives peuvent générer des tsunamis comme lors de l’effondrement partiel de l’Anak Krakatau en 2018 ou lors des retombées du Hunga Tonga en 2022, mais sont moins connues et sous-estimées. La physique gouvernant ces écoulements gravitaires peut être très différente d’un cas à l’autre et une bonne évaluation des aléas correspondants requiert des mesures fiables et des modélisations fines. Slide2Wave combinera essentiellement des expériences contrôlées de laboratoire et des modèles numériques adaptés pour identifier les mécanismes physiques fondamentaux impliqués dans la génération de tsunamis par écoulements gravitaires. L’application de ces modèles à des cas géophysiques bien documentés permettra d’aborder la diversité et complexité des cas naturels pour une meilleure évaluation des aléas, puis des risques associés dans un futur proche. Le projet Slide2Wave est structuré en trois tâches mixant à chaque fois expériences et simulations qui seront menées par des physiciens et géophysiciens au sein de trois laboratoires de mécanique des fluides (le laboratoire Fluides, Automatique et Systèmes Thermiques à Orsay, l’Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse et l’Institut ?’Alembert à Paris) et du laboratoire Magmas et Volcans de Clermont-Ferrand. Dans une première tâche consacrée à l’entrée d’écoulements denses dans l’eau, des expériences d’effondrement gravitaire de colonnes granulaires cylindriques dans une cuve sont proposées couplées à des simulations de type VOF. Dans cette configuration tridimensionnelle modèle d’effondrement d’île volcanique, c’est l’influence de la dispersion radiale qui est particulièrement recherchée. La deuxième tâche porte sur l’impact dans l’eau d’une couche granulaire stratifiée en densité s’écoulant le long d’un plan incliné en canal, avec une couche basale dense surmontée d’une couche diluée turbulente. Dans cette configuration, la fluidisation gazeuse de l’écoulement est importante et l’accent sera mis sur l’influence de la polydispersité des grains et sur les possibles effets de températures élevées. Les simulations menées seront de deux types complémentaires, avec une approche de type Euler/Euler et une approche de type multi-couches minces permettant d’aborder les plus grandes échelles. Dans une troisième tâche, l’arrivée verticale d’une colonne de grains polydisperses dans l’eau sera étudiée. Les expériences de laboratoire seront ici couplées à des simulations de type Euler/Euler, bien adaptées au caractère assez dilué de l’écoulement des grains dans l’air et dans l’eau. Dans chacune des tâches, c’est la génération d’ondes à la surface de l’eau par l’entrée des grains qui est au centre du projet pour son caractère tsunamogénique. Ces différentes configurations expérimentales couplées aux différentes types de simulations numériques mises en œuvre permettront de mieux comprendre les mécanismes de génération d’ondes de type tsunamis par des écoulements gravitaires de grains denses ou dilués ou encore mixtes, ainsi que la forme des dépôts finaux. Au-delà de la valorisation des résultats dans des revues et conférences internationales, des actions de vulgarisation seront menées auprès du grand public et des actions seront par ailleurs menées pour aider à définir des stratégies de prévention des risques.

L'ajout de fibres à un matériau granulaire est un moyen économique, écologique et efficace de renforcer sa résistance mécanique. Cette stratégie est largement utilisée dans les applications de génie civil pour lutter contre l’érosion des sols et pour développer des bétons à hautes performances, avec l'inconvénient de réduire la "maniabilité" du matériau. D'un point de vue physique, l'enchevêtrement entre les fibres flexibles et les grains rigides provoque un fort couplage qui augmente la contrainte seuil du matériau au-delà de la pression de confinement, confère une résistance aux efforts de traction, entrave les écoulements extensionnels et donne lieu à une anisotropie induite par cisaillement. Tous ces phénomènes soulèvent la question de savoir si le comportement des matériaux granulaires renforcés par des fibres peut être déduit de la mécanique classique des milieux granulaires et des assemblées de fibres ou s'ils constituent une nouvelle classe de matériaux aux propriétés mécaniques distinctes ? Ce projet propose de répondre à cette question et de rationaliser la réponse mécanique et l'écoulement de ces matériaux. Dans ce but, nous réaliserons un ensemble d'expériences modèles avec des grains et des fibres ayant des propriétés physiques contrôlées. Dans un premier temps, nous étudierons les conditions de mélange permettant d'obtenir un échantillon homogène et nous caractériserons sa réponse mécanique dans la limite des déformations quasi-statiques. Le problème du mélange sera étudié en mesurant la distribution spatiale et la déformation des fibres à travers des grains transparents immergés dans un fluide de même indice optique au cours d'un protocole de préparation typique. La réponse mécanique de l'échantillon sera étudiée en compression et en traction à l'aide d'une machine de traction. Ces mesures permettront de déterminer comment les contraintes seuil des matériaux granulaires fibrés dépendent des paramètres physiques de ce problème tels que l'élasticité des fibres, leur fraction volumique et la friction entre fibres. Dans un deuxième temps, nous étudierons le comportement de ces matériaux dans différentes configurations d’écoulement. Nous caractériserons d’abord leur réponse à un cisaillement simple en utilisant un rhéomètre dédié qui permet d’imposer la pression normale. Ces mesures, combinées à l’analyse dimensionnelle du problème, nous permettra de proposer une formulation rhéologique pour les matériaux granulaires contenant des fibres. On testera le domaine de validité de ces lois rhéologiques en comparant leur prédictions dans différentes configurations d'écoulement (plan incliné, effondrement gravitationnel d'une colonne, impact rapide d'un objet à la surface, etc.) aux observations expérimentales. Cette démarche permettra de quantifier l'importance de différents phénomènes tels que la présence d'un gradient de cisaillement, d'une surface libre et de la non-stationnarité dans les écoulements réels. Enfin, nous chercherons un modèle théorique permettant de prédire le comportement des matériaux granulaires fibrés. Cette étape nécessitera de décrire le couplage entre les grains et les fibres à l'échelle mésoscopique et bénéficiera de simulations DEM qui nous fourniront des informations précieuses sur l'évolution de la distribution des contacts au cours de la déformation du matériau. Finalement, le projet FiLiGran apportera une compréhension fondamentale du comportement mécanique et de l’écoulement des matériaux granulaires fibrés. Cette compréhension favorisera le développement de techniques de renforcement par des fibres afin de réaliser des infrastructures qui sont compatibles avec les enjeux du développement durable. Les résultats du projet seront également diffusés au grand public et aux étudiants et contribueront à accroître leur engouement pour les sciences.

La préservation des matériaux archéologiques et patrimoniaux nécessite une bonne connaissance de leur altération. L’acquisition d’une chromatographie ionique dernière génération permettra de mieux cerner les processus de recristallisation sur les surfaces minérales en réalisant des mesures de cations majeurs (Ca, Mg, Na, K et Sr) sur des petits volumes de fluides, tout en améliorant la précision d’un facteur 5 à 10 et permettra de répondre à de nouvelles questions scientifiques. En effet plusieurs sujets d’études, en cours ou en projet au sein des 3 laboratoires du plateau de Saclay impliqués, ont en commun de s’intéresser à l’interaction eau/roche et notamment dans les grottes autour de problématiques environnementales ou archéologiques : 1) Influence de la chimie des eaux pariétales dans divers processus susceptibles de dégrader les peintures, comme les vermiculations ou l’évolution d’un voile calcique ; 2) Composition chimique des inclusions fluides et participation de celles-ci aux modifications chimiques des eaux percolant sur les parois ornées, mais aussi leur importance comme témoins du passé et leur capacité à enregistrer les conditions paléo-environnementales notamment dans les spéléothèmes ; 3) Compréhension des processus de précipitation/dissolution de carbonates dans les sédiments ayant des applications dans la préservation des archives climatiques pouvant être adaptés au patrimoine du bâti historique ; 4) Suivi des pollutions industrielles historiques à travers les spéléothèmes et les eaux souterraines comme archives dans les carrières en contexte de sous-sols urbains.

Comprendre la réponse des gels sous contrainte est d’une importance primordiale, aussi bien au plan fondamental que pour les applications. Dans ce cadre général, dans BOGUS, nous produirons des billes sphériques de gel millimétriques originales. Les gels, à base de particules colloïdales, sont constitués d’une structure poreuse homogène et nous ferons varier de manière contrôlée leurs propriétés mécaniques. Notre objectif est de rationaliser le comportement de ces billes sous contrainte et d'élucider les interactions complexes entre l'écoulement du liquide à travers les pores (la poroélasticité), la plasticité de la structure formant un réseau et la rupture du réseau. Nous adopterons une approche multi-échelles combinant fluage mécanique sous indentation, analyse d'image et analyse d'images et diffusion de la lumière résolue spatialement et temporellement. Notre projet est fondamental, mais nous étudierons principalement deux configurations particulièrement pertinentes en particulier pour les nombreuses applications utilisant le séchage par pulvérisation: le séchage/gonflement des billes et leur réponse à une déformation mécanique extrême produite par leur impact sur une surface solide. Pour parvenir à une compréhension globale du comportement des billes de gels sous contrainte, le projet sera divisé en cinq tâches scientifiques. La tâche 1 est consacrée à la fabrication de différentes classes de billes de gel colloïdal aux propriétés ajustables. Nous proposons plusieurs stratégies basées sur la variation des interactions entre les particules, la déformabilité des particules ou le mélange de polymères et de gels colloïdaux pour ajuster la ténacité et la fragilité des gels. Le comportement mécanique des différentes classes de gels dans les régimes linéaires et non linéaires sera étudié à l'aide de techniques d'indentation (tâche 2). Les tâches 3 et 4 sont consacrées à la caractérisation du comportement des différents types de billes lorsqu'elles sont soumises à des contraintes modérées (tâche 3) ou extrêmes (tâche 4). Dans la tâche 3, le séchage, le gonflement, et éventuellement plusieurs cycles de séchage et de gonflement, seront étudiés avec une approche multi-échelles, rassemblant des informations structurelles macroscopiques sur les instabilités développées par la bille et des informations dynamiques microscopiques sur les réarrangements des colloïdes formant le réseau. Dans la tâche 4, nous étudierons le comportement des billes de gel lors de leur impact sur une surface répulsive. Des informations macroscopiques sur le processus de fragmentation subi par les billes seront acquises ici, mais à un régime radicalement différent de celui exploré dans le protocole de séchage / gonflement, car la poroélasticité ne joue aucun rôle en raison de la très courte durée de l'expérience. Enfin, la tâche 5 vise à fournir une rationalisation du comportement des billes de gel sous contrainte en fonction des propriétés mécaniques linéaires et non linéaires des gels. En outre, le projet comprend également une tâche de coordination (tâche 5) pour assurer le bon déroulement et l’efficacité du projet. Le consortium regroupe deux équipes d’expérimentateurs avec des compétences complémentaires dans la conception et la mécanique de matériaux mous, et dans les instabilités mécaniques et la physique du séchage.

Des recherches menées dans la continuité des travaux précurseurs de Pickering ont récemment permis de produire de nouveaux objets pouvant être décrits comme des poches de gaz dans l’air, nommés : bille de gaz (gas marble). Ils sont constitués de gaz entouré d'une couche de grains piégés dans un mince film liquide dans un environnement gazeux. La résistance mécanique exceptionnelle de leur coque granulaire leur promet de nombreuses applications. Parmi celles-ci, nous notons que l'utilisation de billes de gaz peut être pertinente pour la génération de matériaux de porosité hiérarchique. De plus, ces nouvelles billes creuses, une fois assemblées, offrent une voie prometteuse vers de nouveaux amortisseurs de vibrations. Dans cette proposition, notre objectif est d'étudier la physique de ce nouveau matériau. Dans un diagramme ternaire (solide-liquide-gaz), les billes de gaz partagent le domaine des hautes fractions volumique de gaz, faibles fractions volumique de solide et très faibles fractions volumique de liquide avec d'autres matériaux ternaires déjà bien connus: les matériaux granulaires humides (non saturés), les mousses de Pickering et les mousses granulaires. À l'échelle microscopique, trois mécanismes physiques sont à l'origine des interactions (éventuellement multicœurs) entre les grains: la capillarité, les contacts entre grains et la dissipation visqueuse (dans le film liquide et aux interfaces liquide/gaz). Les échelles de temps, de longueur ainsi que la répartition des grains diffèrent d'un système à l'autre, mais les questions que leur existence soulèvent sont les mêmes : Comment la microstructure de la phase dispersée et les interactions à l'échelle microscopique sont-elles liées et affectent-elles le comportement global du matériau? Constituent-ils une même classe de matériaux dans le sens où ils obéissent aux mêmes lois de comportement mais avec des paramètres d'état différents définis par la physique à l'échelle microscopique ? L'étude des billes de gaz permettrait de donner de nouvelles réponses à ces questions et de proposer une vision unifiée du sujet. Pour aborder ces questions, nous mènerons des expériences aux différentes échelles du matériau où les paramètres des phases continue et dispersée seront contrôlés afin de révéler les principales caractéristiques physiques de ces nouveaux objets. Au niveau mésoscopique, nous souhaitons comprendre le lien entre le réseau de particules et le comportement des membranes des billes de gaz soumis à différentes sollicitations : forçages global et local, vibrations et enfin rhéométrie classique. Dans le régime quasi statique, nous étudierons l’influence de la pression capillaire sur l’élasticité de la membrane et du réseau granulaire en termes de fraction surfacique de particules, nombre de voisins et coefficient d’agrégation. En régime dynamique, le rapport entre la dissipation par contact entre grains et la dissipation interfaciale ou visqueuse sera abordée. Enfin, en route vers l’échelle macroscopique, nous avons pour premier objectif de créer des billes de gaz à propriétés contrôlées, et pour second de corréler le comportement statique d'une bille de gaz et d’un assemblage de billes de gaz aux propriétés de la membrane et / ou de la coque. Enfin, les propriétés dynamiques des billes de gaz et d'un empilement de billes de gaz seront étudiées par propagation d’ondes et interprétées en fonction des propriétés d’amortissement des films granulaires et de l’assemblage des billes de gaz . La structure multi-échelle et ternaire du matériau pourrait révéler différents modes de propagation de couplés (propagation des ondes dans l'air et dans le squelette granulaire).

Dans une première partie le stage consistera en une étude expérimentale des morphologies de craquelures formées lors d’un appui avec une sphère rigide en fonction des propriétés mécaniques du système couche/sous-couche et de la force appliquée. Le système modèle sera une couche constituée de pigments bien calibrés solidifiée sur une toile et sur une membrane élastique jouant le rôle de sous-couche. Les propriétés mécaniques de chaque couche seront caractérisées par micro-indentation. Les forces appliquées lors de l’impact ou de l’appui seront mesurées à l’aide d’un dynamomètre numérique de précision. Les résultats sur les expériences seront confrontés à des analyses d’images de craquelures en étoile ou en cercles: cette partie s’effectuera en consultant un corpus d’œuvres de la base EROS au C2RMF sur une période qui sera défini au préalable. Les analyses seront effectuées sur des images multispectrales et permettra de déceler les craquelures liées à un impact ou appui frontal ou de revers. Le stage pourra ensuite être complété par une modélisation des formes de craquelures. Une étude bibliographique sera suivie par une partie théorique permettant de déduire des formes de craquelures (cercles concentriques, étoiles à plusieurs branches) la relation entre force appliquée et propriétés de la matière picturale. La base théorique concernera une minimisation de l’énergie élastique par un calcul analytique.