Fluides Complexes Instabilités Hydrodynamiques

Fluides Complexes Instabilités Hydrodynamiques
19 Permanents
17 Modélisateurs-Numériciens
2 Expérimentateurs
<35
4 personnes (2 CNRS 2 Universitaires)
35-50
6 personnes (3 CNRS 3 Universitaires)
50-65
7 personnes (2 CNRS 5 Universitaires)
Emérites
2 personnes (1 CNRS 1 Universitaire)
Thésards en cours
5 personnes
Thèmes Principaux
Milieux Granulaires
Gouttes et Milieux Diphasiques
Instabilités et Vortex
Ecoulements et Modèles Biologiques
Théorie Cinétique et Applications
Milieux Granulaires
P.-Y. Lagrée D.Lhuillier
Ch.Josserand L. Staron
Détermination de modèles de lois continues à
partir des simulations d’écoulements de grains
Modèles continus d’interactions granulaire-fluide
Aspects rhéologiques
Aspects géophysiques
(IPGP, Lajeunesse)
12
1e+01
1e+02
1e+02
Martian (MacEwen 1989)
Martian (Quantin 2004)
L/H
Terrestrial volcanic (compiled in Legros 2002)
Terrestrial non-volcanic (compiled in Legros 2002)
Terrestrial non-volcanic (Nicoletti et al 1991)
Numerical
10
(a)
L/H
1e+01
HG
H0
LG
(b)
L
FIG. 1: Flow geometry. (a) Frank slide deposit (picture by courtesy of the Natural Resources
Canada Library). (b) Scheme of the numerical setup: the topography is composed of an inclined
1e+00
1e+00
10
1e+01
1e+02
1/D
V
1e+03
(m)
1e+04
(a)
1e+05
Perspectives
Lois de comportement, rôle de la température granulaire
Rôle des conditions aux limites (parois meubles...)
Fluide intersticiel : eau, air...
Astéroide (effet marée sur un corps granulaire)
The 6/5 factor in the left-hand term of this equation is called
the Boussinesq coefficient, and depends on the shape of the
velocity profile. The same procedure, applied to the watermass balance, leads to
Then, the sediment flux vector reads
q =
Vs
φ(θ)s.
d2
s
(17)
Ecoulements sur sol érodable: Stabilité
∇ · (ud) = 0,
(12)
since, by definition, ud is the water flux.
The above set of equation is very similar to the classical
Saint-Venant equations used in natural rivers. In that case,
however, the velocity profile is no longer parabolic, which induce both a different Boussinesq coefficient (usually 1) and
another expression for the friction term (last on the righthand side of equation (11), see Ikeda et al. [1981] among
others). This mathematical analogy explains the similarity
between laminar flume experiment and natural rivers [Lajeunesse et al., 2008; Devauchelle et al., 2007a].
Back to the Saint-Venant equation in the laminar case,
the bottom shear stress exerted by the fluid on the bed surface, denoted by τ , reads
At this point, one should bear in mind that many contributions have considered the influence of the bed topography on the sediment transport direction (see again Seminara
[2001], but also the theoretical model of Parker et al. [2003]).
The simplest model takes the bottom topography into account by adding a small term proportional to the bed slope
to the direction of the sediment flux, that is, by replacing s
by
s − γ∇h
(18)
in relation (17). The parameter γ may be a constant, or
a function of the slope and of the local shear stress. It can
also be a two-dimensional tensor, if the slope effect is a function of the slope direction with respect to s. In any case,
however, the effect of such a correction is to increase the
sediment flux if it goes downwards, and to decrease it if the
shear stress is opposed to the slope. This is true, in particular, in the model elaborated by Parker et al. [2003], which
is the most complete presently available. This point will be
addressed again in the discussion.
Thèse de O. Devauchelle et en collaboration avec S. Zaleski
IPGP E. Lajeunesse, L. Malverti
τ =
2
3ρνu
.
d
Rivière à banc
(13)
As mentioned in section 2 the shear stress is a key quantity
for bedload transport. Through τ , the fluid motion conO. Devauchelle
al. deforms the bed
trols the sediment flux.
This flux in et
turns
topography, which affects the flow equations through the
occurrence of h in equation (11).
4.2.
Sediment transport
t/T = 0
The intensity of the shear stress τ relative to the sediment grains weight is expressed by means of the Shields
parameter θ, defined by equation (7), where τ = !τ !. The
intensity !q! of bedload transport is usually considered as
a function φ of θ:
Vs
!q! = 2 φ(θ),
(14)
ds
t/T = 1
where Vs is the Stokes settling velocity of an isolated sediment grain (Vs = Rgd2
Figure 9. Numerical simulation of a rhomboid-pattern
s /(18ν), see Charru et al. [2004]).
Once the sediment and the fluid are fixed, the the scaling
formation in a laminar channel. The most unstable mode
2
factor Vs /ds is a constant. The vector q denotes a number
emerges from the initially random topography. The grey
of grains per unit time and length.
scale indicates the height h of the sediment surface. This
The function φ is well-known experimentally for a lamscale is enhanced by a factor of 50 between the two iminar case [Charru et al., 2004], and was even tested with
ages (instabilities grow). The values of the parameters
the same silica grains as the one used here [Malverti et al.,
were set to S = 0.05, F = 2, W/D = 25. Both the time
2008]. It has a threshold θc , below which no grain moves.
t/T (the time scale T is defined by relation (30)) and
The following expression has been proposed by Charru et al.
the space coordinates are non-dimensionnal (x/D is hor[2004]:

izontal, y/D is vertical). Flow is from left to right. The
φ0 θ(θ − θc )
if
θ ≥ θc
φ(θ) =
(15)
aspect ratio is preserved on the pictures.
0
else
where φ0 and θc are two constants: φ0 ≈ 0.47 and θc ≈ 0.12.
This transport law is reminiscent of the well-known Meyer0.5
Peter and Müller relationship, widely used in rivers, that is,
for bedforms
turbulent observed
flows [Meyer-Peter
and Müller
As forflume (Devauchelle
Figure 1. Various
on the granular
bed of, 1948].
a a laminar
0.2
the fluid flow, there is a strong analogy between sediment
et al. 2008). Thetransport
angle andbywavelength
of the
rhomboid
pattern
varies with
laminar and
turbulent
flows,
even though
the the experimental
0.1
coefficients
exponents
involved
in the model
may differ.
parameters (picture
(a) and or
(b)).
Under certain
conditions,
a rhomboid
pattern may be assoNow, after the sediment transport intensity, one has to
0.05
ciated to ripples model
(picture
The width
the flume
is This
10 cm,
and water
the(c)).
direction
of the of
sediment
flux.
question
was flows from left to
not
addressed
by
Charru
et
al.
[2004]
nor
[Malverti
et
al.,
right. (a) Large rhomboid pattern (Fr = 1.76, S = 0.03, Bo = 1.31 and Sh = 0.616). (b)0.02
Small
2008], since these authors considered one-dimensional sysrhomboid pattern
(Fr
=
0.95,
S
=
0.015,
Bo
=
3.25
and
Sh
=
0.485).
(c)
Rhomboid
pattern
tems. To the contrary, it is an essential point in river ge0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
omorphology.
of =
the
subject
can
foundThe
in definitions of the
mixed with ripples
(Fr = 1.01, An
S =overview
0.015, Bo
3.50
and Sh
=be
0.504).
Seminara [2001]. As a first approximation, it is usually asparameters are provided
in section
3.2.
sumed that
the sediment
is transported in the local flow
motifs de bancs rhomboïdes avec rides
obtenus expérimentalement à l’IPGP
Simulation: évolution en temps d’un fond initialement bruité
rides inclinées et motif en diamant
Perspectives
- Erosion des berges (couplage avec les bancs/rides)
- Simulation de la formation des méandres
- Modélisation de la turbulence sur la dynamique
- Affinage des lois de transport
Gouttes et Milieux Diphasiques
A. Antkowiak
Ch.Josserand
A.Monavon
R.Prud’homme
J. Hoepffner
D.Lhuillier
S.Protière
S. Zaleski
Compréhension de structures complexes en multiphasique
Développement de code et calculs numériques (VOF, Marqueurs)
Gerris (P. Ray)
Expérimental
Gouttes
A.Antkowiak,J.Hoepffner, Ch.Josserand,S.Protière, S. Zaleski
Atomisation
Gerris 2D D.Fuster, J.Hoepffner, S.Zaleski
Thèse de Anne Bagué
Stage M2 Ralf Blumenthal
Gerris S.Popinet (NIWA)
Post doc Daniel Fuster
Re= 5800
rho_l/rho_g = 20/1
mu_l/mu_g = 0.1/0.005
u_l 1 u_g=0
sigma=0.075
Impacts de Gouttes
A.Antkowiak,Ch.Josserand,S.Protière, S. Zaleski
Thèse G. Agbaglah,M.Rivetti
•
•
•
dynamique d’impact
formation de structures complexes (jets, nappes, gouttelettes)
Nappes liquides: rétraction de nappes visqueuses, instabilités (Thèse G.Agbaglah)
Elasto-capillarité
Thèse M. Rivetti
•
•
•
Origami dynamiques
Couplage élasto-capillarité
Activité transverse (MISES+ FCIH+ ANR
Deformation)
Milieux Diphasiques
Ch.Josserand, D.Lhuillier, A.Monavon, R.Prud’homme, S. Zaleski
D.Lhuillier
Lois de comportements pour milieux diphasiques dispersés
(Suspension de particules solides, de gouttes)
Modèle bi-fluide adapté (caractère hyperbolique des équations)
(Suspension de bulles)
A.Monavon
Thèse de Tojonirina Randriamanantena(CEA Marcoule)
"Caractérisation de l'écoulement diphasique dans un procédé d'extraction liquide-liquide,
par colonne pulsée, en vue de la validation d'un modèle numérique."
Ch.Josserand, S.Zaleski
•
Simulations particules lagrangiennes dans un fluide
Gerris (Post-doc Gaurav Tomar)
R.Prud’homme
•
•
Instabilités HF de Combustion dans les moteurs fusée
Evaporation-condensation en fluide super-critique
(Poche du fluide super-critique plongée dans une ambiance
plus chaude en isobare) avec A. D’Almeida
Perspectives
•
Compréhension
de la taille des gouttes dans l’atomisation
(Spray, injecteurs)
•
Impacts : Simulation 3D, expériences en géométries
complexes, rôle du gaz extérieur (expertise théorique et
numérique assez unique et perspectives expérimentales)
•
Elasto-capillarité, encapsulation, interaction fluidestructures
•
Sciences de l’environnement: pluie, érosion,
dissémination...
•
Changement de Phase: combustion diphasique, crise
d’ébullition (CEA)
Instabilités et Vortex
A. Antkowiak
P.Collini
P.-Y. Lagrée
M. Rossi
M. Bouthier
J. Hoepffner
A.Monavon
S. Zaleski
Dynamique des Vortex
Compréhension des Instabilités dans des cas complexes
Dynamique des Tourbillons
A.Antkowiak,M.Rossi
Fusion de Vortex Bimensionnels.
Reconnexion de Vortex Tri-dimensionnels.
Dynamique de vortex Hélicoidal
(Eoliennes, Hélicoptère)
Thèse de Benjamin Piton (LIMSI)
Vortex Stables : Croissance Transitoire
• Le Vagabondage d’un tourbillon
! Structure et évolution de la perturbation optimale
Instant initial
Instant optimal
m=0 m = 1 m=2
22/37
Antkowiak & Brancher, Phys. Fluids 16 (2004)
Dynamique aux temps courts d’un tourbillon isolé / Arnaud Antkowiak
IMFT, 20 Octobre 2005.
Th. Leweke expérience IRPHÉ
Apparition d’anneau de Vorticité
Mécanisme d’ Anti-Lift-Up
anti-lift-up classique:“streaks” --> rouleaux
Antkowiak & Brancher, J. Fluid Mech. 578 (2007)
(Melander & Hussain, 1993)
(G. Depommier, ONERA, Chatillon)
Instabilité d'une couche de mélange entre fluides non miscibles
J.Hoepffner, M.Rossi, S. Zaleski
Instabilité temporelle: linéaire et nonlinéaire
Thèse de Anne Bagué
Instabilités visqueuses vs
Kelvin--Helmholtz: comment
KH peut-il être plus instable
en visqueux?
Instabilité spatiale: linéaire
avec le groupe de Ilmenau
(Thèse de Thomas Otto)
Ecoulements de Cisaillement
A.Monavon, PY Lagrée, M.Rossi
Jet Léger en présence de Gravité
A.Monavon (thése de E.Deri au CEA Saclay )
Etude d’un jet laminaire d’hélium dans de l’air (flottabilité, écoulements secondaires, analyse
asymptotique, calcul numérique 3D, méthodes expérimentales)
Jet dans une flûte
P.Y.Lagrée avec F. Blanc (thèse au LAM)
Croissance Transitoire de Couche de mélange
avec Champ Magnétique
(M.Rossi)
Ecoulement de Base Instationnaire
M.Bouthier,J.Hoepffner, M.Rossi
Instabilité de Bénard-Marangoni avec évaporation
Typical patterns
(M.Rossi)
µ0=21 mPa.s (dish diameter : 110 cm)
h0=4 mm
h0=8.4 mm
Réponses aux forçages périodiques
(J.Hoepffner)
Streaming
Solutions exactes de Navier-Stokes
(M.Bouthier)
Perspectives
Vortex collision de fronts de Vortex, Eclatement de Vortex
(solution stationnaire) et autre (P. Brancher IMFT)
Dynamique de Vortex hélicoidaux (avec LIMSI, IRPHE ANR )
Interaction Vortex-Turbulence : fer à cheval et anti-lift-up (avec FRT)
Instabilité d’interface dans les Carters automobiles (Exp et Num) (P.
Collini)
Sciences de l’environnement: Ecosystèmes de lacs (groupe de
Biomeco ENS et CNR Turin)
Ecoulements et Modèles Biologiques
J. Chaskalovic
J.-M. Fullana
M. Rossi
D. Gintz
P.-Y. Lagrée
S. Zaleski
Avec la collaboration de P. Flaud
Artério-Veineux
Apnée du sommeil
Modélisation du réseau veineux
J.M. Fullana, S. Zaleski
Méthode inverse non invasive pour mesurer la viscosité
J.M. Fullana M. Rossi
P. Flaud (MSC) Thèse de N. Dispot
Biomécanique : Anévrismes Abdominaux
P.-Y. Lagrée M. Destrade I. Masson
O. Romain, J. Mazeyrat (SYEL Electronique UPMC)
UPMC: Médecine/ Electronique/ Mécanique
UTC, INRIA, FranceTelecom
(Brevet RFID passive)
Transverse UPMC !
P.-Y. Lagrée
A.Van Hirtum, X. Pelorson,
been fixed toF.0Chouly
Pa while the(thèse),
outlet pressure decreases from 0 Pa to a negative
chosen value Ps Pa.
ICP Grenoble
Modèle d’apnée du sommeil
3.1
Simulation of an Obstructive Apnea
O
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rfluide-structure (avec
p approximation
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Couplage
couche
limite)
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(a)
(b)
" [l/min]
init
hc / hc [%]
100
80
20
15
60
40
10
20
5
0
!20
0
(c)
100
200
300
0
0
400
! P [Pa]
100
200
300
400
! P [Pa]
(d)
Fig. 2. Simulation of the upper airway obstruction from pre-operative data. (a) Initial
configuration. (b) Final configuration. (c) Constriction height. (d) Airflow rate φ
On figure 2 is depicted the simulation of a complete upper airway collapsus. The geometry is extracted from the pre-operative data of the patient no. 1.
The constriction height hc decreases from its initial value to 0 mm (figure (c)),
at which collision with the posterior pharyngeal wall is detected (figure (b)). In
parallel, the airflow rate φ increases with the pressure drop ∆P until approximatively 80 Pa, where the maximal value of 17.5 l/min is reached (figure (d)). After
80 Pa, the flow rate φ decreases as the pressure drop ∆P is increased. In this
part of the curve, the relationship φ(∆P ) is approximatively linear. This phe-
Modèles Biologiques
Analyses de Données
J. Chaskalovic
Méthodes de Data Mining dans l'Apnée du Sommeil :
Analyse exploratoire des relations entre l’insomnie et la maladie de l’Apnée du sommeil
Modélisation du système immunitaire humain :
Application au traitement du cancer de la vessie
par injection de la bactérie de BCG et de l'Interleukine-2.
Modélisation du champ des vitesses
dans un Bolus Uretéral
D. GINTZ en collaboration avec B. El Mabsout
Thèse de A. Vogel
Solution
Stationnaire
(Mathematica)
Poche (Bolus) d’urine dans l’uretère entre
Rein et Vessie
Perspectives
Méthodes inverses en hémodynamique artérielle (ANR Histaca,
collaboration P.Flaud )
Etude du transfert artérioveineux de masse (oedème)
Etude du transfert artério-veineux de quantité de mouvement (fond
d’oeil)
Théorie Cinétique et Applications
C.Croizet M.Dudeck
R.Gatignol
Plasmas
Micro-fluidique, suspensions
M.Dudeck
Intéractions plasmas – surfaces :
(propulsion spatiale par Plasma)
Gaines et pré-gaines (CL) de potentiel :
Modélisation en présence
d’un champ électromagnétique,
dépôt d’énergie
Sonde électrostatique
Coefficients de transports :
(rentrée planétaire d’une sonde sur
Mars,Titan,Vénus)
Calcul des coefficients de transport
par la théorie cinétique :
hautes températures,Plasmas
Couplage NS et niveaux par niveaux
Microfluidique (C.Croizet, R.Gatignol) :
Ecoulements d’un gaz ou d’un mélange
gazeux dans des micro-canaux :
Etude théorique simulation par DSMC
(thèses D.Ameur, M. Reyhanian)
Simulation par Lattice Boltzmann
(thèse J.W.Shim)
(Disque de Mach)
Théorie cinétique des suspensions (C.Croizet)
Modèles de type 13 moments pour un
ensemble homogène et hétérogène
de nano-particules (collisions inélastiques)
(Gaz
poussiéreux)
Modélisation des écoulements stratifiés en conduite
horizontale (thèse K.Sidi Ali)
Perspectives
Interactions plasmas – surfaces :
Disposer de codes prédictifs pour les dépôts d’énergie
Coefficients de transports : réaliser une base de données par calculs
pour différentes espèces.
Applications aux microfiltres à particules (canaux)
Ecriture d’un code de Monte Carlo pour une suspension (Thèse M.Reyhanian)
Méthodes hybrides : couplage de codes Eulérien et de Monte Carlo pour les
parois en particulier
Echanges thermiques dans des microcanaux
dépoussiérage d’atmosphère (Eliane Ruiz Onera)
Collaboration expérimentales envisagées (INSA de Toulouse, Marseille)
Implications dans l’enseignement
Implications dans l’organisation de Congrés
Séminaire Fluide (Lydie Staron)
Collaborations
de l’équipe
Interactions possibles avec les
autres groupes
Ch Josserand, S. Zaleski et FRT
A. Fuster, S. Zaleski et FRT
A. Antkowiak, Ch Josserand et MISES
A. Antkowiak et FRT
Pierre-Yves Lagrée et LAM MPIA FRT
Collaborations de l’équipe Milieux Granulaires
Aspects Rhéologiques
R. Soto Université Santiago du ChiliEcos fondecyt
Aspects Géophysiques/ Planétaire (Exp-Num)
J. Philipps Univ. of Bristol
E. Lajeunesse IPGP
D. Hoestroffer Obs. de Paris
Aspects Méandres et Bancs
Groupe Géomorphologie de l’IPGP
P. Azerad Univ. de Montpellier/Orléans (Mathématiques)
Collaborations Gouttes et Milieux diphasiques
NIWA
Stéphane Popinet
CEA
(A.Monavon)
CEA (R.T)
(Ch.Josserand)
ONERA et Univ de Lomé
(R.Prud’homme)
TOTAL
(S.Zaleski)
Université de Bristol
J.Eggers
Université de Chicago
W.Zhang
U.C. Santa Barbara
T. Theofanous
Fréderic Doumenc et Béatrice Guerrier
FAST, Instabilités de Bénard-Marangoni
Ivan Delbende
LIMSI, Dynamique des Vortex
Collaborations Instabilités et
Vortex
Peter Schmid:
Contrôle des instabilités de choc sonique sur les ailes d’avion
Pierre Brancher:
Dynamique de Vortex
Florence Hulot:
Ecologie Paris XI
Yves Couder
Université Paris VII instabilités gouttes et d’interface
Th Boeck, D.Krasnov,A.Thess et O.Zikanov
Université de Ilmenau et Michigan state university, MHD et instabilités d’interface
A.Provenzale et J.von Hardenberg :
CNR Turin, étude du couplage Plancton et hydrodynamique de Lacs
Alessandro Bottaro:
Université de Gênes, interactions fluide/structures et instabilités
Koji Fukagata:
Université de Keio: reduction de trainée et contrôle des écoulement
Luca Brandt:
Royal institute of technology, Suède: Receptivité et transition à la turbulence
Junichiro Shiomi:
University of Tokyo: transfer hermique dans les nano-matériaux
Collaborations de Ecoulements et
modèles Biologiques
P.Flaud
MSC, Biomécanique
P A.Nadim
CGU Los Angeles (projet mucus)
A.Van Hirtum, X. Pelorson, F. Chouly, ICP/Gipsa-Lab Grenoble
O. Romain SYEL UPMC
Collaborations théorie cinétique
GDR Propulsion par plasmas dans l’espace (01/01/08 – 31/12/11)
et accords internationaux associés (ESA, IPPLM de Varsovie, Univ.
Stanford, accord de coopération inter-universités UPMC-Orléans-Kharkov)
Tech. Res. Prog.-ESA sur l’aérothermochimie des corps de rentrée
Korea Institute of Science and Technology (KIST, Séoul) J. W. Shim
Universités de Boumerdes (Convention UPMC ; R. Saci)
Universités d’Oran (M. Abdelouhad, M. Benyettou, )
Académie of Sciences of China (Institut of Mechanics) Z. H. Silver-Li, C. Shen, J. Li
Financements de
L’équipe
Financements
Milieux Granulaires
ANR PIGE 2005-2008 (avec IUSTI+PMMH)
Demande d’ANR SYSCOM avec
C. Narteau (IPGP) et D.Idier (BRGM)
Financements pour Gouttes et Milieux diphasiques
•
•
•
ANR Deformation (A. Antkowiak et al )
CEA (Rayleigh-Taylor)
GDR Micropesanteur Fondamentale et Appliquée
(Prud’homme)
Financements pour Instabilités et Vortex
•
•
ANR Opadeto avec Y.Couder (MSC)
ANR ZALESKI
Financements pour l’Ensemble du Thème
•
ANR ENDOCOM (EndoprothèseCOMmunicante)
•
Demande ANR Histica
Hémodynamique et Simulations de l’ aorTe thorAcique pour les applications CArdiovasculaires
LIF UPMC/ Inserm “Laboratoire d’Imagerie Fonctionnelle”
U2R2M UPS/CNRS “Unité de recherche en résonance magnétique médicale”
P.-Y. Lagrée+ D. Lucor
Financements pour l’Ensemble du Thème
ANR « RAYHEN » - rayonnement des plasmas de
rentrée planétaire
TRP ESA (Aerochimie) (2009-2011)
Demande TRP ESA (Rayonnement)
CONCLUSIONS
Equipe tournée vers le fondamental
Nombreuses collaborations
Financement plutôt ANR mais pas uniquement
Implications dans l’organisation de Congrés
séminaire fluide
Implications dans l’enseignement
Départs au cours des cinq dernières années : 4 Universitaires
Pierre Carles( --> FAST)
Nathalie Delprat (-->LIMSI)
Jean-Sylvestre Darrozes
B. El Mabsout
Arrivées au cours des cinq dernières années : 2 CNRS 3 Universitaires
A. Antkowiak
J. Hoepffner
L.Staron
J.M. Fullana
S.Protière
Départs durant les cinq prochaines années : 5 personnes dont 3 universitaires
Arrivées espérées durant les cinq prochaines
années :
3 personnes pour lʼ université
Conserver la sensibilité au fondamental
Développer l’expérimental sur Jussieu
Pour des expériences de taille
raisonnable
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Développer
Couplage fluide-structure et
Biomécanique (Num.,Exp.)
Fluides géophysiques
(Granulaires, Ecosystèmes)
Fluide et interface
Fluides Multiphasiques, Microfluidique
•
→ Postes