LABORATOIRE IUSTI – UMR 6595

LABORATOIRE
IUSTI – UMR 6595
PROJET SCIENTIFIQUE
DE L’UNITE
2012-2015
UMR 6595- Projet
2
UMR 6595- Projet
SOMMAIRE
I- PROGRAMME GÉNÉRAL
5
I-1 PREAMBULE
7
I-2 AUTOANALYSE
8
I-3 PROJET ET OBJECTIFS SCIENTIFIQUES DE L’UNITE
12
I-4 MOYENS MIS EN ŒUVRE POUR LA REALISATION DU PROJET
15
II- PROJET SCIENTIFIQUE PAR AXE
II-1 AXE PHYSIQUE DES TRANSFERTS
19
21
II-2 AXE ECOULEMENTS COMPRESSIBLES,
ONDES DE CHOC ET INTERFACES
29
II-3 AXE COMBUSTION ET RISQUES
33
II-4 AXE MILIEUX DIVISES
37
III- ACTIVITES DE RECHERCHE TRANSVERSES
41
III-1 BIOMECANIQUE : BIOMECANIQUE ET MODELES POUR
LA MEDECINE ET LA BIOLOGIE
43
III-2 DIAGNOSTICS OPTIQUES
45
III-3 GENIE CIVIL
47
3
UMR 6595- Projet
4
UMR 6595- Projet
I. PROGRAMME GENERAL DE L’UNITE
5
UMR 6595- Projet
6
UMR 6595- Projet
I. PROGRAMME GENERAL DE L’UNITE
I.1 PREAMBULE
Le Laboratoire IUSTI, UMR 6595 est une unité mixte de recherche de l'Université de
Provence (tutelle principale), de l’Université de la Méditerranée et du CNRS. Le
laboratoire doit son nom à l’école d’ingénieur IUSTI créée en 1985 lorsque ces deux
entités étaient fortement imbriquées. En 2000, cette école est devenue le
département de « Mécanique-Energétique » de l’école Polytech’Marseille (EPUM),
membre du réseau national des onze Ecoles Polytechniques Universitaires.
Le laboratoire IUSTI a connu des évolutions au cours de ce quadriennal dans un
contexte de changements importants des structures et de l’organisation de la
recherche au niveau national.
Un renouvellement important des ressources humaines a eu lieu suite au départ de
personnes qui ont fait valoir leurs droits à la retraite et à une restructuration du
laboratoire. Cela a été l’occasion de structurer le laboratoire sur des thématiques
scientifiques relevant pour l’essentiel de la section 10 du CoNRS de l’Institut National
des Sciences de l’Ingénerie et des Systèmes et des sections 60 et 62 du Comité
National des Universités. Plusieurs activités de recherche ont atteint maintenant une
reconnaissance au niveau national et international. Elles se manifestent par plusieurs
indicateurs et, en particulier, par de nombreuses collaborations formalisées ou non,
entre les établissements, suivant le degré de maturité des échanges. Les domaines
de recherche concernent pour l’essentiel : la physique des transferts, les
écoulements compressibles, polyphasiques et réactifs, les ondes de chocs, les
détonations et les milieux divisés.
La dynamique du laboratoire se manifeste également par de nouvelles thématiques
de recherche en émergence dans les domaines en relation avec le milieu
vivant comme la biologie et la santé et avec le génie civil. Tous ces développements
sont réalisés en cohérence avec l’environnement scientifique et technique du pôle de
l’étoile (Technopôle de Château Gombert et Faculté des Sciences de Jérôme).
L’élaboration d’un projet à 4 et 8 ans n’est pas une tâche facile. En effet des
bouleversements importants du paysage de la recherche au niveau international,
national et local sont en cours et vont sans doute remodeler l’environnement de la
recherche dans les années futures.
Les mises en place de l’ANR, de l’AERES, d’OSEO, du FUI, des pôles de
compétitivités (CAPENERGIE, MER, SCS, …) contribuent à ce nouvel
environnement.
Deux événements récents vont impacter le développement du laboratoire dans le
prochain quadriennal. Pour le premier, Il s’agit de la mise en place de la fédération
de Mécanique-Energétique regroupant les quatre laboratoires IRPHE, IUSTI, LMA
et le M2P2 avec corrélativement le déménagement du LMA sur le site de ChâteauGombert. Ce nouveau dispositif donnera une lisibilité internationale accrue de la
Mécanique-Energétique sur Aix-Marseille. Le second événement est relatif à
l’initiative d’excellence lancée par le gouvernement en 2010. Le laboratoire a pris
une part importante dans l’élabortation de ce nouveau dispositif pour les
équipements (Projet de mésogrille Equipex dans le cadre du Grand Emprunt), les
laboratoires d’excellence et de l’Institut d’excellence sur les énergies décarbonées.
7
UMR 6595- Projet
Ces différentes structures en constante évolution sont une bonne opportunité, mais
qui nécessite une vigilance pour maintenir une bonne cohésion du laboratoire.
A ces changements récents, il faut rajouter que le paysage universitaire d’AixMarseille va également évoluer et voir l’émergence de l’université d’Aix-Marseille qui
sera le regroupement des trois universités actuelles. Ce choix, exprime la volonté de
donner une nouvelle dimension à l’université d’Aix-Marseille. Elle engendrera des
dynamiques nouvelles au niveau régional et international, en particulier avec les
pays de la rive sud de la Méditerranée. Par conséquent, c’est dans un contexte d’un
paysage en pleine mutation que le laboratoire IUSTI inscrit son projet pour le
prochain quadriennal.
Avant de détailler ce projet nous commençons par présenter une auto analyse
s’appuyant sur le bilan 2006-2010. Elle guidera les évolutions nécessaires à mettre
en œuvre pour la réalisation du projet scientifique.
I.2. AUTO-ANALYSE
Le laboratoire a, depuis ses origines, connu plusieurs évolutions de ses personnels,
des thématiques de recherche, et de sa structuration.
Actuellement son coeur de métier est centré sur la mécanique-énergétique en
relation avec d’autres disciplines comme la physique, les mathématiques appliquées,
et la biologie. Il a maintenant atteint un degré de maturité qui lui permet d’avoir un
niveau de reconnaissance international. Celle-ci est due à plusieurs effets combinés
qui sont principalement :
-le souci de maintenir un bon équilibre entre les recherches amont et les recherches
en relation avec les activités aval,
-une bonne sensibilité au triptique : recherche, formation, valorisation.
-un renouvellement des sujets de recherche et une remise en question permanente
des méthodes d’analyses.
Cette culture « IUSTI » se traduit aujourd’hui par des retombées qui se situent à
plusieurs niveaux comme une bonne attractivité, un niveau scientifique de qualité et
en constante évolution, une bonne implication dans les différentes instances et
commissions au niveau local et national, … . Sur la base du bilan scientifique
effectué, nous présentons ci-dessous l’auto-analyse déclinée en quatre points.
1. Les points forts
La recherche :
Pour les raisons évoquées précédemment, le laboratoire possède maintenant une
bonne dynamique de recherche avec des thématiques d’avenir s’appuyant sur un
fort potentiel de recherche. Au cours de ce quadriennal nous avons renforcé les axes
de recherche du laboratoire au nombre de quatre : physique des transferts,
écoulements compressibles - ondes de choc et interfaces, combustion et risques,
milieux divisés.
Les ressources humaines :
Au cours de la période 2006-2009, suite à de nombreux départs à la retraite, il y a eu
9 recrutements de jeunes maîtres de conférences et 1 chargé de recherche CNRS. Il
y a eu une très bonne reconnaissance des personnels ITA et IATOS. Elle s’est
8
UMR 6595- Projet
concrétisée par des promotions au choix (5) et par des réussites aux concours
internes (2).
Par ailleurs un effort important de mutualisation des personnels techniques et
administratifs a été réalisé.
Visibilité, attractivité du laboratoire et relations internationales
Le laboratoire possède actuellement une bonne visibilité, aux niveaux national et
international dans les différents domaines de recherche, qui se concrétise par de
nombreuses actions.
Cette visibilité s’accompagne d’une attractivité du laboratoire qui s’est traduite par
l’obtention d’une chaire CNES, l’engagement de post-doctorants, le séjour de
plusieurs chercheurs étrangers, et une implication de personnes dans les instances
aux niveaux local, national et international (Université, Ecole, CoNRS, CNU, AERES,
ESF, ESA …).
Au plan international, le laboratoire développe de nombreuses relations
internationales qui sont en forte croissance. Elles se sont concrétisées par l’accueil
de doctorants en co-tutelle, l’invitation et la visite de nombreux professeurs invités, et
des collaborations formalisées.
Formation
Dès son origine, le laboratoire était fortement imbriqué avec l’école d’ingénieur IUSTI
« Institut Universitaire des Systèmes Thermiques Industriels ». L’implication s’est
renforcée au fil des années et se traduit actuellement par une forte participation dans
les enseignements, et la gouvernance des différentes formations (ED, Ecole
d’ingénieur, Master, …). Le laboratoire est tout naturellement adossé aux structures
de formations de différents niveaux (ED, Masters, Ecole d’ingénieur
Polytech’Marseille, Licences, IUT).
Valorisation
Le laboratoire a toujours été bien impliqué dans la valorisation. Il développe des
relations avec le tissu industriel et aussi avec plusieurs organismes de recherche
comme le CEA, l’ONERA, le CNES, le CEMAGREF, … Les actions de valorisation
se concrétisent par près de 70 contrats de collaboration avec les entreprises et le
monde socio-économique et par la création de 4 start-up.
Les activités de recherche du laboratoire ont un fort potentiel d’applications. Les
domaines les plus en vue à l’heure actuelle sont l’énergie, l’environnement et les
risques, l’aéronautique et l’espace.
2. Points faibles
Aux points forts, résultant d’un effort accru des membres du laboratoire, nous
présentons ci-dessous les points faibles qui sont essentiellement liés aux ressources
humaines. Nous déclinons les différents points faibles qui retiennent notre attention
pour les années futures.
Les ressources humaines :
-Le recrutement de chercheurs CNRS reste faible malgré les efforts réalisés. Ce
point est vital dans le dispositif actuel d’un laboratoire de recherche de type UMR.
9
UMR 6595- Projet
-Pour les Jeunes Maitres de Conférences, beaucoup de charges administratives
leurs sont confiées. Elles deviennent très vite pénalisantes car elles sont souvent
faites au détriment des activités de recherche.
-Le nombre de doctorants reste insuffisant par rapport au potentiel d’encadrement du
laboratoire. Ce point a été corrigé au cours des deux dernières années et un effort
important a été engagé pour atteindre des niveaux de recrutements satisfaisants. Un
flux annuel de 20 doctorants serait idéal pour le laboratoire.
-L’autre point concerne la parité homme femme qui reste toujours en fort
déséquilibre.
-Le dernier point est lié à la forte réduction des moyens pour l’accueil de chercheurs
invités. La disponibilité offerte par l’université depuis de nombreuses années s’est
fortement réduite et de nouvelles sources de financement sont à trouver pour
maintenir cette action importante rythmant la vie scientifique du laboratoire.
3. Opportunités
Paysage de la recherche en pleine mutation
Le paysage de la recherche subit actuellement de profondes mutations. C’est
l’occasion de formidables opportunités qui s’offrent au laboratoire pour mener de
nouvelles dynamiques. Voici listé ci-dessous les principales opportunités pour
lequelles le laboratoire est fortement impliqué :
-La fusion des trois Universités d’Aix-Marseille va donner lieu à l’université unique
dès le prochain quadriennal. Cette opération d’envergure permettra le regroupement
des sciences qui va engendrer une nouvelle dimension et une structuration plus
harmonieuse: homogénéisation des statuts, nouvelles dynamiques de recherche et
de collaboration, simplification des procédures administratives, …
-La mise en place de la fédération de recherche de “Mécanique-Energétique” avec
l’émergence d’un pôle d’un niveau international dans ce domaine (projet de
laboratoire d’excellence). Cette fédération, qui regroupera les quatre laboratoires
IRPHE, IUSTI, LMA, M2P2, envisage de postuler pour le label de laboratoire
d’excellence dans le projet du grand emprunt.
-Le grand emprunt est une bonne opportunité que le laboratoire devra saisir pour son
développement. Actuellement notre unité est partie prenante du projet de laboratoire
d’excellence en « Mécanique-Energétique » qui sera porté dans le cadre de la
fédération des quatre laboratoires, de la demande d’équipement d’une grille de calcul
et, de celle de la création d’un Institut d’excellence sur les énergies décarbonées.
Recherche du laboratoire
- Le laboratoire souhaite développer de nouvelles activités de recherche en relation
avec le génie civil et la biomécanique. Ces deux activités associées à celle des
diagnostics optiques sont transverses aux quatre axes de recherches. C’est une
opportunité intéressante pour renforcer des collaborations et générer de nouvelles
dynamiques entre les chercheurs et enseignants chercheurs des différents axes du
laboratoire.
Pour le génie civil, la Commission des Titres d’Ingénieurs (CTI) a fortement insisté
sur le développement de recherches dans le domaine pour appuyer la formation en
génie civil de l’école Polytech’Marseille notamment sur les aspects granulaires.
10
UMR 6595- Projet
Collaborations et relations internationales
- Il y a une forte demande de collaboration et de formation par la recherche dans les
domaines où le laboratoire possède des compétences reconnues (Brésil, EU,
Canada, Inde, Chine, Maghreb, Australie, …)
-Les acteurs socio-économiques sollicitent fortement le laboratoire pour des
recherches en relation avec l’énergie (entreprises, collectivités)
-Le laboratoire a initié des collaborations avec d’autres laboratoires de l’Institut
CARNOT STAR: LSIS, IM2NP, PIMM, …
4. Risques
Les risques sont essentiellement liés aux ressources humaines. Etant données les
opportunités et les mutations profondes qui s’opèrent actuellement aux niveaux local
et national des risques importants de dispersion peuvent émerger. C’est pourquoi il
est nécessaire de définir une politique scientifique claire et cohérente dans un
paysage scientifique en évolution. Cette politique s’appuyera sur une gouvernance
du laboratoire clairevoyante pour permettre le développement des recherches de
haut niveau tout en assurant des retombées socio-économiques à fort impact.
Plusieurs risques existent pour le laboratoire à court et moyen termes. Il s’agit
d’abord de l’activité de recherche liée aux écoulements turbulents et supersoniques.
Celle-ci, assurée actuellement par 3 chercheurs CNRS et un Maître de Conférence,
est menacée par 2 départs à la retraite à échéance de deux ans. Cela va engendrer
une réduction conséquente (>55%) des effectifs. Compte tenu de cette taille réduite
(1,5 ETP chercheur) l’activité sera sous critique et sera à terme menacée
d’extinction. Ceci est d’autant plus dommageable que la soufflerie supersonique a
été déménagée sur site de Château Gombert en 2008 après plusieurs années de
travail.
L’autre risque est lié à la rareté des promotions pour les maîtres de conférences au
niveau professoral. En effet, le pic des départs à la retraite est maintenant passé. De
ce fait les possibilités de promotions seront réduites drastiquement dans les années
futures. Il y a donc de forts risques de démotivation des Maîtres de Conférences.
Dans le même esprit, le passage DR2-DR1 reste encore faible malgré une bonne
campagne 2009-2010. Nous espérons que les engagements annoncés permettront
une évolution positive de la situation actuelle qui a été longtemps une source de
découragement des personnels concernés.
L’autre risque concerne le découragement des personnels administratifs et
techniques de l’université pour lesquels les possibilités de promotions sont
également faibles ce qui fragilise de fait la cohésion des différents personnels du
laboratoire.
11
UMR 6595- Projet
I.3. PROJET ET OBJECTIFS SCIENTIFIQUES DE L’UNITE
Objectifs généraux du laboratoire :
Le laboratoire a connu différentes phases de développements avec des activités de
recherche portant sur de nombreux sujets couvrant un large spectre d’applications
dans le domaine de la mécanique-énergétique. Cette démarche a conduit au
développement d’outils d’analyse et de compréhension qu’ils soient théoriques,
numériques et/ou expérimentaux. Ces développements réalisés au fil des années
ont permis au laboratoire de forger un socle original de connaissances, d’outils et de
méthodes sur lesquelles l’unité s’appuiera pour développer le projet scientifique dans
le prochain quadriennal. L’ambition scientifique du laboratoire pour les prochaines
années se décline en trois points comme suit :
- devenir un laboratoire de référence au plan international dans le domaine des
écoulements, des transferts de chaleur et de masse dans les fluides « complexes »,
et les milieux granulaires ceci en présence ou non d’ondes de choc, de fronts, de
changement de phase, d’interfaces et de singularités.
Ces recherches s’appuieront sur une approche pluridisciplinaire (thermodynamique,
thermique, mécanique, physique, et mathématique) en utilisant des méthodes à la
fois théoriques, numériques et expérimentales.
Les applications essentielles de ces recherches se retrouvent dans trois grands
domaines que sont l’énergie, l’environnement et les risques, l’aéronautique et
l’espace.
- favoriser des activités transverses de recherche dans les domaines de la
biomécanique, des diagnostics optiques, et du génie civil. Ces domaines ont émergé
pour des raisons différentes : collaborations externes, formation, ... Si l’une de ces
activités atteind une maturité suffisante, elle pourra alors se transformer en axe de
recherche à part entière. Ces activités transverses de recherche trouvent également
des applications dans les domaines de la biologie et de la santé, du bâtiment et de
l’énergie.
- renforcer la démarche de valorisation de la recherche que le laboratoire a
développé depuis près de 30 ans. La recherche menée à l’UMR N° 6595 a été
développée de façon équilibrée entre les approches fondamentales et le traitement
de problèmes venant de l'aval, nécessitant pour les résoudre, la compréhension des
mécanismes fondamentaux. Cette démarche a donné un grand nombre d’actions de
valorisation. Nous comptons renforcer ces actions d’autant qu’il y a maintenant des
structures permettant l’accompagnement à la valorisation avec la défense de la
propriété intellectuelle.
Pour atteindre ces objectifs, l’effort de structuration du laboratoire sera poursuivi. En
effet jusqu’en 2005, les activités de recherche du laboratoire s’articulaient autour de
13 équipes de recherche (12 + 1 intégration) et corrélativement le développement de
nombreux sujets de recherche. En 2006 une première étape a été franchie et a
donné lieu à une réduction à 8 d’équipes de recherche. Cette action a été poursuivie
au cours de ce quadriennal et une seconde étape vient d’être franchi.
Le laboratoire sera organisé suivant les quatre axes de recherche qui représenteront
les piliers de base du projet scientifique pour le prochain quadriennal. Trois activités
transverses seront associées à ces quatre axes: biomécanique, diagnostics
12
UMR 6595- Projet
optiques, génie civil. Cette structuration simplifiée permettra de mener le projet
scientifique et de favoriser l’émergence de nouvelles thématiques de recherche tout
en assurant une bonne cohésion du laboratoire.
Nous donnons ci-dessous les grandes lignes de développement du laboratoire dans
les quatre axes de recherche. Nous présentons également les trois activités
transverses qui feront l’objet de développements dans le cadre du prochain
quadriennal.
La structuration scientifique : Les quatre axes de recherche
Axe Physique des Transferts (PT)
Les activités de recherche porteront sur les transferts de chaleur et de masse dans
les milieux hétérogènes. La démarche d’analyse des couplages Ecoulements Particules - Structures – Transferts s’articule autour de l’acquisition des moyens et
des méthodes nécessaires à la compréhension des phénomènes de transfert en
milieux solides, fluides, multiphasiques ou poreux. Les travaux se regroupent autour
du couplage par des approches numériques et expérimentales soutenues par les
apports d’outils de diagnostics dédiés. Les directions de développement se déclinent
en deux parties : i) la compréhension des mécanismes de transfert multi-échelle
(nano ou micro, méso, macro) et la maîtrise des transferts ; ii) le développement de
méthodes et d’outils de diagnostics des transferts dans les systèmes complexes.
Les activités de recherche de cet axe s’inscrivent dans le contexte de la maîtrise et
l’intensification des transferts en vue d’augmenter l’efficacité énergétique des
composants et des systèmes.
Cet axe sera constitué d’un groupe de 18 chercheurs et enseignants chercheurs.
Axe Ecoulements Compressibles, Ondes de Choc et Interfaces (E2CI)
Les projets scientifiques de l’axe Ecoulements Compressibles Chocs et Interfaces
s’articulent autour de la modélisation d’écoulements compressibles multiphasiques
et/ou multi-échelles présentant ou non des interfaces, et d’une composante
expérimentale importante basée sur les installations que sont la soufflerie
supersonique et les tubes à chocs. Les thématiques abordées sont complémentaires
et conduisent à des interactions fortes entre l’ensemble des membres de l’axe E2CI
et les autres axes du laboratoire. Les recherches s’appuieront sur ses collaborations
internes et externes.
Les projets de recherche viseront à proposer un modèle global capable de traiter par
simulation directe l’ensemble des phénomènes pouvant se présenter à une interface.
Ceci comprend les transferts de masse, d’énergie, ainsi que les effets de capillarité,
de tension de surface ou d’interactions fluide-structure. Ces modèles seront validés
par de nouvelles expériences menées au laboratoire (axes E2CI, PT). Les
modélisations du développement de la turbulence et les effets d’échelles seront
validés sur des expériences concernant l’instabilité de Richtmyer-Meshkov ou sur
celles d’interactions choc-couche limite. Dans cette dernière thématique, une
attention particulière sera portée aux instabilités basses fréquences relatives aux
mouvements oscillants auto-entretenus. La modélisation de l’interaction fluidestructure sera confrontée à de nouvelles expériences mettant en jeu des matériaux à
comportement non-linéaire. Concernant les problèmes de transfert de chaleur et de
masse, les modèles seront comparés aux expériences d’évaporation de bulles ou de
gouttes isolées entreprises dans l’axe physique des transferts.
Cet axe sera constitué d’un groupe de 25 chercheurs et enseignants chercheurs.
13
UMR 6595- Projet
Axe Combustion et Risques (C&R)
Les thématiques de recherche qui seront abordées sur la période 2010-2013 se
rattachent principalement au risque incendie et aux écoulements
environnementaux. Les sujets de recherche qui seront développés au sein de cet
axe porteront sur les feux en milieu confiné sous-oxygéné et aéraulique des
fumées d’incendie, la dégradation thermique de matériaux exposés au feu, la
modélisation stochastique de la propagation d’un feu de végétation, les
écoulements environnementaux et enfin les jets et les écoulements de type
« fontaines ».
Les moyens utilisés seront la simulation numérique, l’approche théorique et
l’expérimentation à différentes échelles. Une partie importante des activités de
l’axe « Combustion et Risques » sera menée dans le cadre du laboratoire de
recherche commun ETIC sur l’incendie en milieu confiné et ventilé. Cette
opération concerne essentiellement l’axe « Combustion et Risques » et l’axe
Physique des transferts pour les aspects liés à la métrologie thermique.
Cet axe de recherche sera composé de 14 enseignants chercheurs.
Axe Milieux Divisés (MD)
Les projets de recherche au sein de cet axe s’inscrivent en partie dans la suite des
travaux déjà développés, mais présentent également des thématiques nouvelles
notamment sur l'influence de l'inertie et de la turbulence sur les écoulements de
suspensions et les milieux granulaires complexes. Leurs réalisations s’appuieront sur
l’arrivée de deux nouveaux permanents Gilles Bouchet Chargé de Recherche au
CNRS en mutation de l’IMFS et affecté au laboratoire le 1er Juillet 2010, qui
s’investira sur les problèmes de sédimentation turbulente, et Geoffroy Guena jeune
Maître de Conférence recruté au 1er Septembre 2010 qui démarrera des projets à
cheval sur les suspensions de particules et de gel, et des problèmes biomimétiques.
Les thèmes de recherche qui seront abordés dans les quatre années à venir
concerneront les suspensions inertielles et turbulentes, les suspensions denses et
les granulaires mouillés, les milieux granulaires plus complexes et la biomécanique
des plantes.
Cet axe de recherche sera composé de 10 chercheurs et enseignants-chercheurs.
Les trois activités de recherche transverses
AT1- Biomécanique
Depuis plusieurs années des collaborations existent avec la communauté des
médecins et des biologistes sur des sujets à l’interface entre les sciences pour
l’ingénieur et les sciences de la vie. Ces études témoignent d’un besoin croissant de
la part des médecins et des biologistes d’outils issus de la mécanique/physique, et
constituent une source d’applications biomédicales (diagnostic de l’ostéoporose,
prothèses) ou biomimétiques (pompes actives en micro-fluidique, biopolymère
végétaux). Le laboratoire souhaite renforcer cette activité pour envisager des
développements plus conséquents dans ce domaine.
AT2- Diagnostics optiques :
Pour ses besoins propres ou dans le cadre de collaborations, le laboratoire utilise et
développe un nombre croissant de diagnostics optiques pour caractériser les
écoulements fluides; les systèmes particulaires, thermiques ou biomécaniques.
14
UMR 6595- Projet
Cependant, la maîtrise théorique et numérique, comme la mise en œuvre matérielle
de "l'outil optique" exigent des compétences pointues et des investissements
conséquents. De ce fait, le laboratoire a pour projet de fédérer scientifiquement et
étendre ses activités dans le domaine des diagnostics laser et électromagnétiques
(infrarouge, visible, UV ou X), les techniques d'imagerie et les analyses
morphologiques.
AT3- Génie Civil :
Le département Génie civil de Polytech’Marseille a été créé en 2006 et il accueille
60 étudiants par promotion. Cette composante de l’école est fortement adossée au
laboratoire et de nombreux enseignants chercheurs interviennent dans cette
formation. Une des recommandations de la CTI en 2008 était de trouver un appui de
la recherche à cette formation jeune et dynamique. Cette formation est actuellement
très prisée au vu de l’appui de la profession et à la forte demande pour la formation
en génie civil. Corrélativement, les recherches développées au laboratoire IUSTI
dans les différentes axes ont des retombées directes dans le domaine du génie civil
et en particulier dans le bâtiment. Le laboratoire souhaite faire émerger des activites
de recherche en relation avec le génie civil sur la base des compétences acquises
dans le domaine de la mécanique énergétique. Les thèmes qui seront abordés
concerneront : la liquéfaction des sols, la performance énergétique des bâtiments, la
rhéologie et la résistance des bétons fibrés (BEFUP).
Cette activité menée dans les différents axes du laboratoire pourra faire l’objet d’un
axe de recherche à part entière si des développements significatifs ont lieu au cours
du prochain quadriennal.
I.4. MOYENS MIS EN ŒUVRE POUR LA REALISATION DU PROJET
Les recherches effectuées au laboratoire sont abordées de façon pluridisciplinaire.
Elles sont à la fois dues à la nature des recherches et à la politique scientifique du
laboratoire. La structuration scientifique suivant les quatre axes de recherche
associés aux activités transverses, nécessite la mise en œuvre d’une politique
scientifique pour permettre le développement au plus haut niveau des recherches
tout en ayant une bonne sensibilité pour la valorisation. Cette politique nécessite des
ressources humaines et des structures appropriées pour anticiper les changements
et les évolutions permanentes auquelles le laboratoire est constamment confronté.
Sur ce point, pour apporter des visions nouvelles, une politique de recrutement
extérieur a été mise en place (2 EC extérieurs en 2010 et 1 CR CNRS).
Adéquation des moyens humains et financiers
Les 4 axes de recherche viennent d’atteindre une taille critique. C’est une situation
unique que le laboratoire exploitera dans le prochain quadriennal. Il existe
maintenant un bon équilibre entre les différents axes avec cependant quelques
faiblesses dans certains domaines qu’il sera nécessaire de soutenir. C’est le cas de
l’activité supersonique où deux départs à la retraite vont avoir lieu dans un avenir
très proche. Cette activité est actuellement en phase de transition. Seul le
recrutement de nouveaux personnels permettra la pérénité et le
développement des activités expérimentales en cours.
L’autre activité qu’il faudra renforcer concerne l’axe combustion et risques où auront
lieu également plusieurs départs à la retraite. Notons que le laboratoire vient de
15
UMR 6595- Projet
bénéficier d’un poste d’Ingénieur de Recherche CNRS qui sera pourvu en fin
d’année 2010. Cet effort important permettra d’initier des activités expérimentales
dans le domaine des feux.
Nous sollicitons un soutien de nos tutelles pour permettre la poursuite des activités
de recherche dans ces deux domaines.
Politique d’animation de l’unité
L’animation scientifique a été une préoccupation du laboratoire et a conduit à
l’engagement de plusieurs actions. L’IUSTI et l’IRPHE organisent depuis dix ans un
séminaire hebdomadaire qui a lieu en alternance entre les deux laboratoires et
d’autres séminaires ont également lieu à l’occasion de visites de chercheurs invités.
Le service informatique organise également un séminaire sur les développements
informatiques du laboratoire. Plus généralement des séminaires internes sont
également organisés au sein du laboratoire sur des thématiques scientifiques
transverses intéressant plusieurs membres du laboratoire.
Nous organisons également la journée annuelle du laboratoire. Cette occasion
permet de faire le point sur la vie du laboratoire, les activités de recherche et de
renforcer les échanges internes.
Le Laboratoire participe depuis de nombreuses années à la fête de la science et plus
récemment aux journées portes ouvertes de l’école Polytech’Marseille.
Des réunions sont organisées à plusieurs niveaux pour favoriser les échanges et
discussions pour les projets et le développement d’activités de recherche. La
commission prospective constituée d’une dizaine de personnes, débat des
orientations scientifiques, et des moyens nécessaires au développement du
laboratoire.
L’ensemble de ces actions contribue à une bonne cohésion du laboratoire. Cette
cohésion sera amplifiée par la mise en place du développement des activités de
recherche transverses proposées pour le prochain quadriennal et par la poursuite
des actions de mutualisation des moyens.
Analyse prospective des besoins et des compétences nécessaires aux mutations
scientifiques et techniques, la politique de formation
Comme nous l’avions souligné dans le préambule, des changements se profilent
dans les années futures. Ils concernent les aspects scientifiques, techniques et
administratifs. D’une manière générale, les évolutions futures vont nécessiter des
moyens de mesures et des instruments à haute technicité dans les domaines de la
microfluidique, microthermique, des diagnostics optiques, …. De ce fait les
personnels techniques devront avoir le niveau approprié pour la manipulation de ces
instruments. Le laboratoire poursuivra une politique de recrutement et de formation
appropriée en adéquation à ces mutations scientifiques. Cette démarche est d’autant
nécessaire pour alléger les chercheurs dans ces tâches et leur permettre de plus se
focaliser sur la recherche. Le laboratoire renforcera sa politique de formation pour
favoriser une participation plus importante des personnels à tous les niveaux.
Les récents changements ont conduit à une augmentation significative des activités
administratives. Elles ne feront que s’amplifier compte tenu des changements et des
évolutions en cours. Le laboratoire devra disposer de ces moyens pour assister la
direction et les usagers dans les différentes tâches relevant de l’administration. La
gestionnaire du laboratoire fera valoir ses droits à la retraite à échéance de
deux années et nous sollicitons son remplacement auprès de notre tutelle CNRS.
16
UMR 6595- Projet
La construction des partenaires se fait à plusieurs niveaux pour des objectifs de
recherche, de formation et de valorisation. Une des particularités du laboratoire
réside dans le développement d’activités de recherche au croisement de plusieurs
disciplines. Nous développons des partenariats avec d’autres chercheurs dans des
disciplines voisines (mathématique, biologie, chimie, …).
La politique des partenariats vise avant tout à developper des recherches de haut
niveau tout en s’impliquant dans le tissu socio-économique. Cette démarche nous a
tout naturellement amenés à la création du laboratoire de recherche ETIC Etudes
des Incendies en milieux Confinés en collaboration avec l’IRSN et la platefrome
partenariale « COPERNIC » qui engage de nombreux industriels.
Nous avons également de nombreuses collaborations dans les différents
Groupements de Recherche et les chercheurs sont très impliqués dans ces GDR
nationaux. La laboratoire est également impliqué dans plusieurs projets au niveau
européen (9).
La mise en place des laboratoires d’excellence dans le cadre du grand emprunt nous
conduit tout naturellement à structurer ces partenariats. Il s’agit du projet LABEX
« Fusion » et LABEX « Mécanique-Energétique ». Nous développons également des
partenariats à l’international dans un esprit d’ouverture à de nouvelles thématiques et
d’échanges de chercheurs et d’accueil de doctorants.
Enfin la construction de nos partenariats va également en direction du monde socioéconomique qui se traduit par des collaborations avec les entreprises.
Nous envisageons également des partenariats avec d’autres laboratoires différents
de ceux de l’institut CARNOT STAR dans le cadre du projet d’IEED Institut
d’Excellence sur les Energies Décarbonées. Cette politique de construction des
partenariats nous conduit à avoir les collaborations avec un haut niveau de
recherche international tout en tissant des liens forts avec le monde socio
économique.
Pour le prochain quadriennal, les investissements que nous souhaitons faire sont
dans les moyens matériels dans les domaines de l’informatique : grille de calcul
envisagée dans le cadre du grand emprunt, des moyens de mesures et pour les
diagnostics optiques, de caractérisation des matériaux pour le génie civil, la
combustion et les risques, l’énergie. Pour le génie civil des demandes de moyens
sont envisgés dans le cadre d’un projet de construction d’une halle de génie civil en
relation avec la formation (EPUM, IUT, …)
La répartition des moyens vise au renforcement des axes de recherche, à aider
l’émergence de nouvelles thématiques de recherche et à optimiser les moyens. En
particulier nous poursuivrons les actions de mutualisation tant sur le plan de moyens
humains que matériels. Nous souhaitons au cours du prochain quadriennal créer un
service instrumentation pour faciliter aux chercheurs l’accès aux chercheurs des
appareils nécessitant un investissement technique important.
La capacité de l’unité à valoriser ses recherches :
Depuis toujours la recherche menée à l’UMR N° 6595 a été développée suivant une
démarche équilibrée entre les approches fondamentales et le traitement de
problèmes venant de l'aval, nécessitant pour les résoudre, la compréhension des
mécanismes fondamentaux. Depuis 2007, ce nécessaire équilibre a été amplifié par
la création de l’Institut Carnot STAR qui regroupe huit laboratoires (IRPHE, IM2NP,
IUSTI, LMA, LCP, M2P2, LSIS, PIMM). Par ailleurs dans le cadre de l’Incubateur
17
UMR 6595- Projet
Impulse le laboratoire apporte un soutien aux jeunes entreprises portées par des
membres de l’Unité: RS2N, URATEK, SERIMED, VIGICAPTE.
Cette demarche de valorisation sera poursuivie d’autant que les structures de
valorisation existent et permettent d’aborder la valorisation de façon plus sereine et
plus efficace. Par ailleurs, le laboratoire est partie prenante dans plusieurs pôles de
compétitivité au niveau local (CAPENEGIES, RISQUES, PEGASE, MER). Cette
implication permet d’accéder au tissu des PME qui reste encore à explorer.
Le laboratoire est impliqué dans les actions de diffusion de l’information scientifique
et technique. Ces actions seront poursuivies et renforcées par la création d’un
service de communication pour assurer la mise en place et le suivi de ces différentes
actions.
Les problèmes d’hygiène et sécurité ont beaucoup évolué au niveau du bâtiment et
de l’ensemble des installations. Deux personnels ACMO sous la responsabilité des
Directeurs de l’unité et du département de Mécanique-Energétique de l’école ont pris
en charge toutes les tâches relevant de l’hygiène et la sécurité.
Un registre hygiène et sécurité a été mis en place, dans lequel est intégrée
l’information aux nouveaux entrants.
Des dispositions existent pour la protection du patrimoine, le respect des procédures,
la sécurité des systèmes d’information, la protection de la propriété intellectuelle.
Elles sont en partie mentionnées dans le règlement intérieur du laboratoire.
18
UMR 6595- Projet
II. PROJET SCIENTIFIQUE PAR AXE DE
RECHERCHE
19
UMR 6595- Projet
20
UMR 6595- Projet
II.1 AXE « PHYSIQUE DES TRANSFERTS »
1
Projet de recherche
L’activité de recherche de l’axe est menée par les membres des équipes TCM
(Transferts de Chaleur et de Masse) et ICSD (Instabilités Convectives et Systèmes
Dynamiques) du laboratoire IUSTI, qui constituent un groupe de 18 chercheurs et
enseignants chercheurs.
L’activité s’inscrit dans le contexte de la maîtrise et l’intensification des transferts en
vue d’augmenter l’efficacité énergétique des composants et des systèmes. Notre
démarche d’analyse des couplages Ecoulements - Particules - Structures –
Transferts s’articule autour de l’acquisition des moyens et des méthodes nécessaires
à la compréhension des phénomènes de transfert en milieux solides, fluides,
multiphasiques ou poreux. Les activités principales de l’axe se regroupent autour :
- De la caractérisation des propriétés d’écoulements thermophysiques et d’échanges
au travers de la mise en place de bancs de mesures appropriées et création de
bases de données de propriétés
- Du développement de modèles et d’outils de diagnostics thermophysiques,
optiques et par imagerie.
- De l’élaboration de modèles physiques et de leur implémentation numérique
permettant de simuler les phénomènes de transferts dans le cadre de diverses
hypothèses relatives aux lois de fermeture.
Pour la période 2010-2013 les travaux se regroupent autour du couplage des
approches numériques et expérimentales soutenues par les apports d’outils de
diagnostics dédiés. Nous avons choisi trois directions de développement qui se
déclinent en deux parties : i) la compréhension des mécanismes de transfert multiéchelle (nano ou micro, méso, macro) et la maîtrise des transferts ; ii) le
développement de méthodes et d’outils de diagnostics des transferts dans ces
systèmes complexes.
1.1 Caractérisation des mécanismes de transfert et leur intensification
Les avancées de la recherche dans le domaine des transferts portent sur l’étude des
phénomènes aux interfaces, dans les systèmes à propriétés évolutives, contrôlées
ou non. L’activité concerne l’analyse des couplages entre les écoulements et la
thermique, avec une descente progressive vers les petites échelles, les verrous
scientifiques se situant au niveau des interfaces et des instabilités associées à ces
transferts. C’est pourquoi nous privilégions une approche à caractère fondamental
sur des configurations simplifiées des mécanismes de transferts aux échelles des
phénomènes (micro-canaux, suspensions, transferts au voisinage d’une interface
liquide-vapeur, nano structures). On trouve parmi les activités principales :
 la mise en place de bancs de mesures appropriés ainsi que la création de bases de
données pour :
-l’étude de l’influence de la topologie, du mouvement et de la mouillabilité de
surfaces sur les transferts qui interviennent dans des fluides newtoniens ou non,
-l’impact de nano objets (nano fluides, surfaces nano structurées) sur les
propriétés thermophysiques, l’écoulement et les mécanismes de transferts et de
changement de phase ;
21
UMR 6595- Projet
les instabilités thermo-capillaires, convectives, acoustiques dans les fluides, les
milieux diphasiques, mais aussi les systèmes tel que les lits fluidisés, les LHP
(Loop Heat Pipe) …
 l’élaboration de modèles physiques et leur implémentation numérique pour simuler
les phénomènes de transferts dans le cadre de diverses hypothèses relatives aux
lois de fermeture. Ces modèles directs et inverses sont utilisés par exemple pour la
caractérisation à large spectre du rayonnement, des conditions aux limites ou des
diagrammes de diffusion de la lumière.
 L’intensification des échanges. Nous regroupons ici les études centrées sur la
maîtrise et l’intensification des transferts thermiques et massiques. Nous
présentons trois sujets principaux :
-L’intensification des transferts et combustion en lits fluidisés denses par
l'interaction d’une onde acoustique avec le milieu granulaire fluidisé (résonances,
atténuation, dispersion).
-L’intensification et l’optimisation d’unités thermo-acoustiques ou de régénérateurs
de moteurs stirling.
-L’intensification des transferts de chaleur dans les suspensions cisaillées de
particules non-browniennes.
1.2
Diagnostics thermophysiques, optiques et par imagerie
Cette activité transverse au laboratoire est particulièrement bien représentée
dans l’axe physique des transferts. Le projet de recherche dans le domaine des
diagnostics optiques se situe dans le prolongement direct des activités actuelles, soit
:
 Diagnostics thermophysiques :
o méthodes d’estimation de conditions aux limites évolutives, de
résistances de contact, de sources volumiques ;
o mesure de propriétés thermophysiques de milieux hétérogènes, de
champ de température et de propriétés ;
 Diagnostics optiques et électromagnétiques:
o la modélisation des propriétés de diffusion de la lumière de particules
complexes;
o la caractérisation optique et électromagnétique de systèmes nano et
microparticulaires;
o Modélisation et étude expérimentale du phénomène de diffusion
critique.
 Diagnostics par imagerie 3D:
o Reconstruction 3D (rmn, microtomographie X) de milieux poreux
o Segmentation et analyse morphologique
2
Détail des recherches proposées pour la période 2010-2013
2.1 Caractérisation et intensification des mécanismes de transfert
2.1.1 Ecoulements fluides particules
Une première étude a pour objectif de caractériser avec précision le régime de
"fluidisation turbulente", régime particulier aux lits fluidisés circulants, présentant un
fort gradient de concentration de solide le long de la colonne. Malgré une littérature
abondante, il n’est pas possible de dégager de caractéristiques universelles de ce
régime où il apparaît que les diverses dynamique observées, que les conditions
d’apparition dépendent fortement des conditions opératoires, en particulier de la taille
22
UMR 6595- Projet
de l'installation et de la distribution en diamètre des particules utilisées. Nous
tenterons de mieux comprendre les mécanismes qui entrent en jeu notamment en
étudiant le couplage et les transferts entre la zone dense du lit en bas de colonne et
la zone supérieure diluée.
Un second aspect de la recherche sur les lits fluidisés concerne la fluidisation
en vide partiel où nous considérerons les effets de compressibilité de la phase
gazeuse. De nombreuses applications innovantes se développent actuellement
autour de la fluidisation en vide partiel (CVD, séchage de matériaux thermolabiles,
pyrolyse à très basse pression, ...). Il s’agit d’un sujet très peu étudié pour lequel de
nombreuses questions en terme de comportement hydrodynamique des lits fluidisés
demeurent. Il apparaît en particulier que la compressibilité de la phase gazeuse joue
un rôle prépondérant dans ces conditions de vide partiel ce qui n’est pas le cas à
pression atmosphérique ou à haute pression. Ce travail sera abordé à la fois sous un
angle théorique et expérimental (chambre à vide de grande dimension instrumentée)
avec la possibilité d’explorer jusqu’aux régimes de Knudsen pour lesquels on ne
compte que quelques études marginales dans la littérature.
Un troisième aspect de cette recherche concerne l’intensification acoustique
des transferts et combustion en lits fluidisés denses qui est étudiée en collaboration
avec le laboratoire de l’IRPHE (J. Quinard). Il s’agira de mettre en évidence par
l’expérience et la simulation numérique la pertinence d’une excitation acoustique
externe dans un lit fluidisé afin de favoriser les transferts (chaleur, masse) pour des
applications de combustion ou de conversion chimique. Ce travail débute par la
caractérisation de l'interaction d’une onde acoustique avec le milieux granulaire
fluidisé (résonances, atténuation, dispersion) avant de se poursuivre par l’étude des
transferts pour identifier des conditions opératoires optimales.
Enfin un dernier thème de recherche concerne l’étude de l'intensification des
transferts thermiques dans une suspension de particules non-browniennes soumise
à un cisaillement. Le cisaillement induit chez ces particules un mouvement aléatoire
appelé «diffusion hydrodynamique» (dû aux interactions longues portées à bas
nombre de Reynolds) qui devrait augmenter le transfert de chaleur par un effet de
micro-agitation locale. La compréhension et la quantification de l’effet escompté se
fera aux travers d’expériences dédiées ainsi que de simulations numériques. Ce
travail est envisagé en collaboration avec, entre autres, D. Pine (New-York
University) et J. Butler (University of Florida).
2.1.2 Changement de phase : évaporation, ébullition, condensation
Une première étude concerne l’analyse fine du comportement de la ligne triple.
Une confrontation modèle expérience permettra de comparer les effets
mésoscopiques obtenus numériquement à ceux mesurés expérimentalement. D'une
part, on souhaite détailler le bilan des flux locaux d'évaporation et de condensation :
les bulles en parois sont le siège d'une évaporation intense, localisée dans la zone
proche de la ligne triple. En dehors de cette zone, l'interface liquide/vapeur est le lieu
d'une recondensation. La croissance de la bulle résulte donc du bilan net de ces
deux flux (évaporation et condensation). Ce mécanisme affecte également
l'ensemble du processus de transfert de chaleur (l'énergie pompée à la ligne triple),
et l'équilibre mécanique de la bulle (les termes de pression de recul associés à la
vaporisation intense pouvent être conséquents). Cette analyse locale et détaillée est
23
UMR 6595- Projet
exploitée afin de comprendre les phénomènes de croissance des bulles à l'échelle
macroscopique, leur dynamique individuelle et collective dans différentes
configurations (ébullition en vase, convective et en milieu confiné).
Le second point concerne la poursuite des travaux numériques et
expérimentaux de l'évaporation des films minces. L'objectif est d'affiner cette étude
sous ces deux aspects en introduisant des modélisations fines (<10 microns) de la
ligne triple dans le modèle numérique. Une comparaison des effets mésoscopiques
(>100 microns) obtenus numériquement à ceux mesurés expérimentalement sera
effectuée afin d'étudier la validité des modèles de ligne triple.
Une troisième étude concerne la caractérisation des structures d'écoulement
liquide/vapeur au cours du phénomène d’évaporation et de condensation convective,
en vu d'une extension à une géométrie 3D. Le phénomène de condensation en
espace confiné est peu étudié, bien qu’apparaissent de forts problèmes de
distribution des phases liquide et vapeur qui dégradent fortement les transferts
thermiques des échangeurs.
2.1.3 Instabilités thermoconvectives en fluides complexes
Nous considèrerons l’étude d’instabilités thermo-convectives de fluides nonnewtoniens. En effet, ces derniers interviennent dans de très nombreux problèmes
pour des applications industrielles (agro-alimentaire, pétrolière, cosmétique,
matériaux de construction, etc.) ou phénomènes naturels (convection du manteau
terrestre, coulée de lave, de boues, etc.) et biologiques (sang, muqueuses, etc.). Une
première activité concernera l’étude de l’évaporation de fluides biologiques pour des
applications médicales, et en particulier le sang humain qui est une suspension
colloïdale très complexe. En effet, après séchage d’une goutte de sang sur une lame
de verre, des motifs bien particuliers apparaissent traduisant l’état de santé du
donneur. Les différents motifs ont pour origines les interactions de la suspension
colloïdale avec le substrat.
Nous étudierons par ailleurs les instabilités thermo-convectives de fluides
complexes (huiles silicones chargées en particules métalliques, avec des fractions
volumiques en particules < 10%) dans des configurations classiques de type «
Rayleigh-Bénard » et Poiseuille-Rayleigh-Bénard. Pour ce faire, nous effectuerons
d’abord la caractérisation macroscopique des propriétés thermophysiques des nanofluides considérés (viscosité dynamique, conductivité thermique et capacité
thermique), ainsi que leur stabilité temporelle (sédimentation, agrégation, etc.).
2.1.4 Intensification des échanges par modification de la géométrie / structuration
de surface
Influence de la géométrie sur les transferts. L’utilisation de textures maîtrisées
concerne des études de bases des mécanismes de transferts et adresse de
nombreuses problématiques industrielles via le contrôle des transferts au travers de
déformations locales de la structure. Trois thèmes principaux sont développés, le
contrôle des couches limites thermique, et la maîtrise de l’ébullition (ONB et flux
critique) ainsi que l’optimisation du mélange par l’utilisation de structures solides
poreuses. Les effets de mouillabilité et de transferts convectifs revêtent une
importance capitale lorsqu’ils agissent sur des surfaces nano- et microstructurées.
La prise en compte de l’évolution de la structure lorsqu’elle n’est pas contrôlée
(encrassement/milieux biologiques) devient déterminante pour des applications à la
filtration membranaire, aux échangeurs poreux ou à micro/nanostructuration, aux
24
UMR 6595- Projet
verres industriels auto-nettoyants, en aéronautique pour les surfaces non-givrantes
sur les bords d'ailes d'avion.
2.2
Diagnostics thermophysiques, optiques et morphologiques
2.2.1 Diagnostics thermophysiques
Les projets se situent dans le domaine des problèmes inverse en thermique
pour l’estimation de conditions aux limites et de propriétés thermophysiques. Ce
domaine les thèmes « diagnostic par voie thermique » et « intensification des
transferts de chaleur ». Une partie des travaux est réalisée au sein de la Fédération
de recherche pour la fusion magnétique. Dans un domaine pluridisciplinaire, nous
allons participer activement à la définition de la position et du nombre de capteurs à
installer dans la machine ITER de manière à obtenir le plus d’informations possibles
sur les sources (volumiques, surfaciques) alors que le nombre de mesures sera
réduit. L’aspect multiphysique de ces caractérisations sous haut flux dans un
environnement nucléaire et magnétique particulier sera un véritable défi. L’autre
application concerne la thermographie active sur des matériaux à faible émissivité.
Typiquement il s’agit du tungstène utilisé dans l’expérience ITER en lieu et place de
tuiles de carbone utilisées dans l’expérience TORE SUPRA. Plus généralement il
s’agira de mettre au point les techniques et méthodes pour obtenir des champs de
propriétés thermophysiques (résistance de contact, diffusivité thermique…) à partir
de mesures indirectes. La métrologie utilisée sera ici la thermographie infrarouge
stimulées ou non. Les applications de cette caractérisation de type contrôle nondestructif quantitatif concerne aussi d’autres matériaux spécifiques comme par
exemple : les mousses métalliques et les pistes métalliques déposées sur les Waffer
en silicium des panneaux photovoltaïques.
2.2.2 Diagnostics optiques et électromagnétiques de systèmes particulaires
Les projets à moyen terme sont la poursuite des travaux de recherche menés en
collaboration ou en partenariat dans le cadre du PHC Polonium (thèse de M.
Wozniak), de l'ANR CARMINA, des contrats CILAS, FR-FCM & IRFM/CEA et une
nouvelle collaboration avec le centre de recherche de Saint-Gobain. Ces travaux
portent sur :
- la modélisation des propriétés de diffusion de la lumière de particules complexes
(agrégats fractals, nano-cristaux, diffusion simple et diffusion multiple, quasistatique et dynamique);
- la caractérisation optique et électromagnétique de systèmes nano et
microparticulaires (nanoparticules et leurs agrégats observés dans les suspensions,
les réacteurs de fusion, les plasmas froids et les plasmas thermiques, les milieux
interstellaires, l'environnement);
- Etude comparée et modélisation physique/électromagnétique du phénomène de
diffusion critique produit par des bulles non sphériques.
Dans le cadre défini par le nom même de cette activité de recherche et dans le cadre
du nouvel axe transverse "Diagnostics optiques", le projet de recherche à plus long
terme de cet activité dépendra des opportunités scientifiques, des moyens humains
et financiers disponibles; ainsi que des conditions de travail au sein du laboratoire.
Dans la limite de ces contingences, la tendance globale sera d'augmenter encore la
part de nos recherches à caractère fondamental sur l'interaction lumière-particules
au sein des écoulements.
25
UMR 6595- Projet
2.2.3 Diagnostics morphologiques
Enfin nous poursuivons le développement d’outils d’analyse d’image 3D en
vue de la caractérisation morphologique de milieux complexes. Il s’agit de
développer des méthodes et algorithmes de segmentation des structures adaptées
au milieux étudiées. L’implémentation de ces algorithmes sur des architectures
parallèles et processeurs graphiques est fondamentale au développement de l’outil
logiciel. Des techniques de suivies d’interfaces sont développées afin de prendre en
compte l’aspect déformable des structures et proposer des outils d’analyse 4D.
Le logiciel d’analyse d’image 3D (iMoph) développé dans le groupe est
distribué sous la licence Cecill. Un second logiciel permettant de caractériser les
propriétés radiatives de matériaux à partir de leur reconstruction 3D est en cours de
dépôt (iMorph-Rad)
3
Collaborations émergentes
Poursuite des activités dans le cadre de l’ANR :
• ANR CARMINA "Caractérisation in-situ de Micro et Nanoparticules" (IUSTI,
CORIA, GREMI, IRFM)
• ANR NANOSURF, “Nanostructuration de Surfaces” avec des partenaires à
Grenoble (CEA/LTN)
• ANR FOAM : “ Modélisation et Fabrication de Mousses Métalliques
pour
Applications Multifonctionnelles”
• ANR ITS “Intensification des Transferts Chaleur dans les Suspensions Cisaillées”
Poursuite des activités de collaboration avec les laboratoires nationaux :
• IM2NP, Marseille :
- Séchage de gouttes d’encres chargées en nanoparticules métalliques pour la
fabrication de pistes sur waffer silicium de très faibles largueurs a été lancée.
Cette étude est réalisée en relation avec l’entreprise IMPICTA
- Contrôle non-destructif quantitatif sur les Waffer en silicium des panneaux
photovoltaïques
• IRFM/CEA Cadarache:
- FR-Fusion Confinement Magnétique,
- Etude des nano & microparticules formées dans le tokamak Tore-Supra)
• CNRS/IRSN, Laboratoire commun ETIC,
• CEMHTI Orléans, Détermination des propriétés radiative par lancer de rayon sur
géométrie réelles
• M2P2 Marseille, Transfert de soluté et encrassement dans les membranes
Projets nationaux et industriels :
• TRACE Transformation de la chaleur en electricite (ADEME/GE) (demande en
cours)
• MERITA : Mer Innovation THermoAcoustique (FUI-OSEO) These début Sept
2010-06-30
Contacts industriels
• Société CILAS (Agrégats fractals, modélisations et diagnostics basés sur la
diffusion quasi-statique et dynamique des ondes électromagnétiques)
• Saint-Gobain Recherche (projet confidentiel autour de la micro structuration de
surfaces)
26
UMR 6595- Projet
•
•
•
•
•
Caractérisation des mousses métalliques CTIF
CNIM : Production de bio-carburant par voie allothermique (thèse sept 2010)
BAXTER : Mélange de fluides a fort contraste de viscosité
SOLAIRE
DUO
:
Capteurs
solaires
de
nouvelle
génération
(OSEO/GIORDANO/CLIPSOL)
PAC ECS : Production innovante ECS pour le collectif par hybridation (Thèse
début Oct. 2010)
Projets internationaux :
• PHC Polonium (Univ. Tech. Wroclaw, thèse de M. Wozniak): 1-"Propriétés de
diffusion des agrégats Fractals", 2-"Diffusion critique";
• Croissance et agrégations des nanopoudres dans les plasmas thermiques
(EMPA-Thun, Suisse)
• AIR LIQUIDE : étude de l’ébullition et l’évaporation de fluides chargés en
nanoparticules en collaboration avec QUT (Brisbane, Pr. Ted Steinberg).
• Modélisation d’écoulements cardiaques / Modélisation de l’Anévrisme de l’aorte
abdominales (CHUM-Université de MONTREAL)
• ITER organisation, Cadarache, détermination de l’implantation des capteurs dans
la manip ITER
• Imagerie cérébrale et modèle de croissance de tumeurs (Univ Santa Barbara)
27
UMR 6595- Projet
28
UMR 6595- Projet
II.2 AXE « ECOULEMENTS COMPRESSIBLES,
ONDES DE CHOC ET INTERFACES »
1. Projet de recherche
Les projets scientifiques de l’axe Ecoulements Compressibles Ondes de Choc et
Interfaces s’articulent autour d’une importante partie concernant la modélisation
d’écoulements compressibles multiphasiques et/ou multi-échelles présentant ou non
des problèmes aux interfaces, et d’une double partie expérimentale basée sur les
installations performantes et originales que sont la soufflerie supersonique et les
tubes à chocs. Les thématiques abordées dans les trois équipes (SMASH, GS et
DTF) le constituant sont complémentaires et conduisent à des interactions fortes
entre, non seulement l’ensemble des membres de l’axe, mais également les autres
axes du laboratoire. L’axe E2CI s’appuiera sur ses collaborations existantes internes
(SMASH, GS, DTF, TCM et GEP) et externes (le CNES, l’ONERA, la SNECMA,
SIEMENS, GASMENS, la DGA, le CEA, l’ESA et AIRBUS) et vise à résoudre les
verrous scientifiques rencontrés durant ces dernières années.
2. Détail des recherches
2.1 Modélisation de problèmes multiphasiques et multi-échelles
La tendance que nous voyons se profiler dans nos problématiques fondamentales, à
savoir les écoulements multiphasiques et réactifs, les problèmes à interfaces, les
chocs et détonations, nous amène à prendre du recul pour les faire progresser dans
les années à venir, tout en continuant à parfaire les approches développées dans le
passé. Leurs applications portent sur le rallumage du dernier étage du futur lanceur
Ariane VI ainsi que sur les risques lies aux explosions.
Concernant la modélisation de problèmes multiphasiques et multi-échelles,
notre champ d’expertise actuel porte sur les écoulements fluides comportant des
aspects énergétiques et souvent réactifs. De plus en plus, des aspects de
mécanique des solides apparaissent. C’est pourquoi des efforts ont été accomplis
sur la modélisation des milieux élastiques (ou hyper-élastiques) qu’il nous faudra
compléter par des travaux sur la transition plastique, voire la fissuration dynamique.
Le but est d’appréhender cette thématique au travers de la formulation d’interfaces
diffuses, qui permet de résoudre en tout point les mêmes équations (fluides, solides,
interfaces). Deux permanents seront affectés à ce projet.
Souvent aussi, les milieux ‘solides’ que nous avons à considérer présentent
des effets granulaires. Il peut s’agir de poudres, dont la compaction dynamique et
irréversible sera à l’étude. Certains phénomènes micromécaniques semblent à
l’origine d’apparition de points chauds dans les explosifs. Il s’agit ici de décrire les
phénomènes visco-plastiques à l’échelle des pores et joints de grains, mais aussi de
coupler les phénomènes de décomposition exothermiques s’y produisant à la
dynamique macroscopique de l’onde de choc. Ce sujet, très ancien, sera revisité au
moyen de nos nouvelles approches de modélisation. Un permanent sera affecté à ce
projet.
29
UMR 6595- Projet
2.2 Modélisation des interfaces perméables
Nous avons précédemment traité les interfaces de contact entre fluides en
présence d’effets capillaires, de compressibilité, de dissipation et de réaction. Nous
souhaitons aborder certains problèmes d’ébullition par simulation numérique directe.
Ceci pose à la fois des problèmes de modélisation supplémentaires (angle de
contact) ainsi que de sérieux problèmes numériques (écoulements à faible nombre
de Mach). Nous comptons affecter 2 à 3 permanents à cette thématique, avec le
soutien supplémentaire d’un expert des méthodes de résolution à faible nombre de
Mach (Boniface Nkonga, Univ. Nice). Nous bénéficierons des travaux et des résultats
expérimentaux développés dans l’axe physique des transferts pour l’observation des
phénomènes et la validation des simulations, sur des problèmes élémentaires
d’évaporation de bulles ou de gouttes isolées.
Enfin, toujours dans le domaine des interfaces perméables, nous souhaitons
développer une approche pour le traitement des interfaces instables, ne serait-ce
qu’entre deux fluides. Bien sûr, nos modèles et méthodes permettent de traiter ces
phénomènes d’instabilités. Des maillages excessifs sont cependant nécessaires pour
traiter les applications réelles : fusion par confinement inertiel, explosions de
particules, explosions gazeuses… Dans une situation réelle, les jets, bulles, doigts,
champignons qui apparaissent aux interfaces se comptent par milliers et il est
illusoire de penser utiliser des résolutions spatiales et temporelles suffisantes, même
avec des méthodes multi-niveaux (AMR par exemple) et des calculateurs puissants.
Nous comptons faire progresser cette thématique en nous appuyant avant tout sur la
modélisation, en cherchant à mettre au point un modèle 1D capable de traiter
l’épaississement dynamique d’une zone de mélange entre deux gaz en tube à choc.
Cet épaississement étant justement une superposition d’effets multi-D, la difficulté
réside en leur réduction dans un modèle 1D. Lorsque cela sera réalisé, nous
envisagerons le traitement des problèmes 3D sur des maillages ‘grossiers’. Pour la
validation, nous nous appuyerons sur les résultats expérimentaux obtenus au
laboratoire. Si ces travaux se couronnent de succès, nous aborderons les problèmes
de sillages turbulents, avec le concours des expérimentateurs du Groupe
Supersonique.
2.3 Modélisation des écoulements instationnaires compressibles et hors
d’équilibre
Cette thématique correspond à des supports de plusieurs thèses de doctorat
car des applications se retrouvent dans la propulsion aéronautique (propulseurs
solides d’Ariane), dans la prévention des risques (explosions terroristes ou
explosions proches de stockage de missile), ou encore dans l’énergétique (fusion
nucléaire par confinement inertiel).
Dans le domaine des écoulements hypersoniques et des problèmes de
rentrée dans l’atmosphère, nous souhaitons parvenir à développer des modèles
complets de types MHD (mécanique des fluides et électromagnétisme). Mais aussi,
en ce qui concerne les écoulements rarifiés, notre objectif est de développer des
modèles cinétiques pour les gaz purs ainsi que pour les mélanges. En outre, dans la
gamme des vitesses plus faibles, la tentative de résolution des problèmes liés à la
diffusion thermique (de Knudsen) et aux transports de masse dans les milieux
raréfiés avec gradients thermiques sur les parois sera entreprise des points de vue
expérimental, numérique et théorique. L’ambition est de développer une théorie
30
UMR 6595- Projet
cinétique des gaz en milieux poreux, mais également une modélisation cinétique de
situations plus complexes incluant par exemple des mélanges réactifs. En effet, dans
la réalité physique des écoulements complexes traités, coexistent des zones de
fluides denses et des zones de fluides raréfiés.
Une autre ambition concerne la tentative d’établissement de modèles
collisionnels radiatifs en lieu et place des modèles globaux existants. Nous
souhaitons dorénavant tenir compte des différents états d’excitation d’une molécule
donnée (électroniques, vibrationnels et rotationnels), et des effets radiatifs (bilan des
photons échangés). Il est évident que ces modèles physico-chimiques très détaillés
s’avèreront très couteux en temps de calcul, mais notre intérêt est de les comparer
aux modèles globaux, moins coûteux mais beaucoup moins précis. Enfin, les
mélanges réactifs induisant dans les SCRamjet (Shock Combustion Ramjet) une
combustion supersonique, nous souhaitons en valider expérimentalement un
principe de fonctionnement original que nous avons imaginé, conçu et testé
numériquement.
2.4 Etude expérimentale et numérique des instationnarités et instabilités dans
les décollements de couches limites supersoniques
Les décollements de couches limites sont l’objet de pulsations à basses
fréquences, en général à plusieurs ordres de grandeur en dessous des fréquences
de la turbulence de couche limite. On a montré que ces basses fréquences, dans le
cas des décollements provoqués par des ondes de choc, sont liées au flapping de la
couche de cisaillement bordant le décollement. L’objectif de ces recherches est
d’examiner si ces observations relèvent de la stabilité, en d’autres termes, on
examinera si les mouvements des grosses structures formées dans les décollements
relèvent d’une analyse de stabilité, éventuellement globale et linéaire, même en
milieu turbulent. L’approche reposera sur les trois contributions classiques,
expérimentale, numérique et théorique. Les d’études s’appuieront sur des cas
d’écoulement dont les caractéristiques globales ont déjà été explorées à l’IUSTI, à
savoir une réflexion d’onde de choc oblique sur une paroi adiabatique ou chauffée où
se développe une couche limite turbulente. Les recherches permettront la
comparaison des propriétés spatio-temporelles de ces fluctuations entre des
expériences, des analyses de stabilité et des simulations numériques (simulation des
grandes échelles, LES). Elles permettront aussi de vérifier si l’influence du chauffage
sur la fréquence des instationnarités est celle décrite par un schéma simple basé sur
la conservation de la masse; il sera aussi vérifié si ces interactions sur plaque
chauffée sont moins influencées par les effets tridimensionnels liés au confinement.
Les cas d’interactions transitionnelles (laminaire/turbulent) dont les échelles de
temps peuvent être différentes de celles des cas précédents pourra être aussi
examiné. Les principaux résultats attendus doivent permettre de montrer si les
instationnarités observées dans les interactions onde de choc couche limite sont
associées à des phénomènes oscillants auto-entretenus, dont les paramètres sont
définis par l'interaction elle-même ou bien s’ils dépendent des conditions extérieures.
La caractérisation de la dynamique de ces instationnarités, linéaire ou non-linéaire,
donnera des indications sur l’adéquation des analyses à la description de ces
phénomènes et, le cas échéant, permettra d'orienter le choix des méthodes
d'analyse de stabilité à développer pour l'étude de ce type d'écoulement.
31
UMR 6595- Projet
Les moyens nécessaires devant être employés et/ou acquis sont de divers
ordres. D’une part, l’emploi de la soufflerie supersonique devra être fait avec un
soutien technique suffisant. Des techniques expérimentales avancées comme la
Dual-PIV, ou les applications de la LSE (Linear Stochastic Estimate) seront utilisées.
Des méthodes de haute précision devront être mises en œuvre pour les écoulements
retour avec de fortes intensités de turbulence, qui posent un certain nombre de
problèmes métrologiques. Il faudra aussi à terme disposer pour les simulations
numériques directes d’un code d’ordre plus élevé que le code actuellement utilisé
pour les simulations LES. Ce code pourrait être développé en collaboration avec des
organismes et laboratoires extérieurs (ONERA, Univ. Southampton, Univ. Rome…
par exemple). Enfin, de manière plus générale des collaborations et/ou des
recrutements devront être développés pour mener à bien les travaux analytiques
envisagés.
2.5 Etude expérimentale des phénomènes liés aux ondes de choc
Fort de la plateforme de tubes à choc unique au monde, l’axe E2CI va
accroitre ses activités dans l’étude des phénomènes liés aux ondes de choc. Le but
à atteindre étant de traiter tout problème mono ou diphasique référent à des
interfaces gaz/gaz, gaz/liquide ou gaz/solide, pour des nombres de Mach inférieurs à
5. Ainsi, dans le cadre de l’étude de l’instabilité de Richtmyer-Meshkov, après deux
décennies d’expériences réalisées avec des ondes de choc planes, nous
ambitionnons de mettre au point les conditions d’expériences permettant l’étude
d’une onde de choc convergente impactant une interface cylindrique, ce qui est
théoriquement et techniquement complexe. D’autre part, l’étude nouvellement
entreprise de l’atténuation d’une onde de choc par une interface gaz/liquide
matérialisée dans un premier temps par un nuage de gouttelettes, puis par une
mousse aqueuse sèche, permettra d’un point de vue fondamental d’obtenir des
avancées significatives sur le phénomène d’atomisation d’une goutte et d’un point de
vue appliqué d’apporter des réponses concrètes aux problèmes liés aux risques
militaires (DGA/Techniques navales) ou terroristes (CEA/DAM). Enfin, les futures
études menées dans le cadre de l’interaction d’une onde de choc avec des interfaces
gaz/milieux granulaires de type poudres ou sables, et précédemment citées,
devraient permettre de comprendre la physique fondamentale de la formation de jets
ou de doigts lors d’explosions.
Enfin, référant à la micro-fluidique supersonique et aux micro-chocs, nous
souhaitons parvenir à réaliser un micro-tube à choc (10 à 100 µm de diamètre). Cette
installation permettra de valider nos modèles théoriques et numériques. Ainsi, ces
modèles trouveront leur application dans le développement des micros systèmes tels
que les micro-tuyères, les micro-turbines ou encore les micro-seringues (sans
aiguilles).
32
UMR 6595- Projet
II.3 AXE « COMBUSTION ET RISQUES »
1. Projet de recherche
Les thématiques de recherche qui seront abordées sur la période 2010-2013 se
rattachent principalement au risque incendie et aux écoulements
environnementaux. Les moyens utilisés seront aussi bien la simulation numérique
que l’approche théorique et l’expérimentation à différentes échelles. Une partie
importante des activités de l’axe « Combustion et Risques » sera menée dans le
cadre du laboratoire de recherche commun ETIC sur l’incendie en milieu confiné
et ventilé.
2.Détail des recherches
2.1. Feux en milieu confiné sous-oxygéné et aéraulique des fumées
d’incendie
• Le laboratoire de Recherche Commun ETIC (voir annexe).
Ce projet, porté par des problématiques de sûreté nucléaire, couvre un spectre
large de la physique des feux, de la mécanique des fluides, de la métrologie et du
développement de codes de calcul spécifiques, et s'avère particulièrement
ambitieux concernant les aspects expérimentaux, théoriques et numériques. Son
objectif est de mieux comprendre et prédire les conséquences d’un incendie,
notamment en milieu sous ventilé. Ces conséquences sont étudiées sous l'angle
de la formation de suies, de la combustion en phase gazeuse, de la pyrolyse, et
des écoulements. Elles sont aussi étudiées au niveau des interactions paroisincendies avec la détermination de la dégradation des composants face à
l’incendie et l’évaluation des flux de chaleur transférés à la paroi. L’IUSTI bénéficie
du soutien financier de l’IRSN, notamment au travers de deux thèses dont une cofinancée par la région PACA.
• Dans le cadre des études sur l’utilisation des brouillards d’eau en cas d’incendie,
nous souhaitons aborder l’effet d’un nuage de fines gouttelettes sur un
écoulement thermiquement stratifié. Il ne s’agit donc pas de s’intéresser à l’effet
direct d’une brumisation sur le feu mais de comprendre et de quantifier comment
cette brumisation interagit avec une couche de fumées chaudes et comment elle
peut en modifier la stratification. Dans un premier temps l’approche sera purement
théorique.
• Au niveau des collaborations avec les pays du Maghreb, cette activité a permis
d’initier des travaux conjoints avec la Faculté des Sciences de Tunis et avec
l’Ecole Polytechnique d’Alger. Ces collaborations seront poursuivies avec la thèse
de B. Kalech sur la ventilation naturelle des tunnels en cas d’incendie (co-tutelle
avec Tunis) et par des projets sur la maîtrise des fumées d’incendie dans les ERP
avec Alger.
• Enfin, une collaboration avec l’Ecole des Marins-Pompiers de Marseille dans la
cadre d’un projet innovation financé par la DGA doit également se poursuivre. Ce
projet vise à développer puis à fournir à l’Ecole, une maquette physique (échelle
1/9 d’un immeuble R+2) permettant de visualiser les écoulements de fumées. La
33
UMR 6595- Projet
simulation des fumées produites par l’incendie repose sur la méthode “air-hélium”
largement utilisée lors d’études antérieures.
2.2. Dégradation thermique de matériaux exposés au feu
L’objectif est de poursuivre le développement des modèles généralisés de
dégradation thermique des matériaux exposés au feu, qu’ils génèrent ou non un
résidu charbonneux. La procédure consiste à coupler des expériences réalisées
dans des conditions de flux thermique et de concentration d’oxydant similaires à
celles rencontrées dans les feux réels à des algorithmes d’optimisation, de type
algorithme génétique, pour la détermination des paramètres cinétiques, physiques
(propriétés diélectriques, notamment) et thermo-physiques.
Pour cela, l’IUSTI devra se doter d’un cône calorimètre et d’un tunnel de feu et
pourra s’appuyer sur les installations que ses partenaires mettent à sa
disposition : l’IRSN (Cadarache) et le CEREN (Valabre) dans le cadre de la
plateforme COPERNIC, le SPE (Corte), l’Université d’Edimbourg, l’Institut
PPRIME (ex-LCD, Poitiers) et enfin l’USTO (Oran).
2.3. Modélisation stochastique de la propagation d’un feu de végétation
Dans cet axe, un modèle de réseau à support régulier, appelé « réseau de petit
monde », a été développé pour simuler la propagation d’un feu de végétation
incluant la topographie du terrain, les conditions moyennes de végétation et
météorologiques. L’objectif est ici d’étendre ce modèle à un support amorphe pour
prendre en compte les hétérogénéités locales du couvert végétal et d’y inclure les
variations temporelles des conditions météorologiques.
On exploitera également le comportement fractal du feu, en termes d’aire brûlée et
de périmètre de feu, afin d’identifier le mode sous-jacent de propagation (diffusion,
super-diffusion, voire balistique).
L’IUSTI poursuivra, dans le cadre du projet DEAR de l’Institut Carnot STAR, le
développement d’un réseau de capteurs de température et d’hygrométrie pour la
localisation en temps réel du feu. Le paramétrage du réseau de capteurs sera
optimisé en combinant algorithme génétique et réseau de petit monde.
Cette action de recherche s’appuiera sur la collaboration forte entre l’IUSTI et
l’USTO.
2.4. Les écoulements environnementaux
• Il s’agit d’abord de poursuivre les actions en cours sur la simulation numérique
de la dispersion de polluants en zone côtière (thèse de Aicha Belcaid et
collaboration avec la Faculté des Sciences de Tanger). L’objectif à court terme est
aussi de mettre en place un réseau de compétences complémentaires avec le
laboratoire PIREE de Toulon et leurs collègues de Fès au Maroc.
• Nous souhaitons également développer la thématique sur les transferts de
polluants en mer mais aussi dans l’atmosphère (en collaboration avec nos
partenaires tunisiens) en essayant de cibler les problèmes de double ou multidiffusion. Les simulations à grande échelle seront faites avec le logiciel MOHID.
Les codes FLUENT ou STARCM++ serviront à modéliser les problèmes plus
académiques soulevés par ces processus de pollution.
34
UMR 6595- Projet
• La période 2010-2012 verra également la poursuite du projet Feder/Oseo intitulé
“DEBIDO”. Ce projet (mené en partenariat avec l’Ecole Centrale de Marseille et
les sociétés G2C Environnement, Metraware et Ion Beam) concerne l’estimation
des débits de fuite dans un réseau de distribution en eau potable. L’objectif sera
de mettre en place un micro-capteur constitué d’une caméra rapide et d’un
intensificateur d’image permettant de suivre l’évolution des vitesses de particules
traceuses dans un écoulement de conduite.
• Enfin, une opération de recherche vient d’être lancée en partenariat avec la
société Biolab/H2O et l’Ecole Centrale de Marseille sur la surveillance de
l’environnement par balises mobiles pour les risques NRBC. Elle a été soumise à
la région PACA dans le cadre de l’Appel d’offres à Projets de Recherche Finalisée
2010. Notre rôle consistera à développer un outil de simulation numérique rapide
de dispersion atmosphérique permettant de caractériser la source (par méthode
inverse) puis de décrire le déplacement spatio-temporel du polluant avec une
réactualisation en temps réel en fonction des données des balises.
2.5. Etudes de jets et d’écoulements de type «fontaine»
• L’étude expérimentale du comportement de jets gazeux impactants est une
activité assez ancienne. Elle doit être poursuivie pour mieux cerner la stabilité de
cet écoulement et sa sensibilité aux facteurs perturbants. L’impact d’une excitation
acoustique sur l’amélioration des échanges thermiques avec la paroi d’impact sera
quantifié. Enfin, l’influence des facteurs de forme géométrique et les conditions de
similitudes seront également abordées.
• Les écoulements de type “fontaine” sont des écoulements définis par l’injection
d’un fluide plus ou moins lourd que le milieu ambiant mais dont la quantité de
mouvement initiale est opposée à la gravité. Les écoulements de fontaines sur
parois planes étant assez bien connus, nous souhaitons étudier le développement
des fontaines le long de parois inclinées. Dans le cas de fontaines turbulentes,
l’objectif sera de déterminer les conditions critiques qui permettent au fluide rejeté
de s’écouler à contre-pente. Enfin, pour les fontaines laminaires, nous souhaitons
étudier la nature des instabilités qui conduisent à la transition vers la turbulence.
L’approche sera expérimentale et théorique.
• Enfin, nous aborderons la problématique de l’induction d’un flux longitudinal à
l’aide d’accélérateurs (ventilateurs). Si la technique est éprouvée et efficace pour
ventiler des petits espaces, nous souhaitons l’appliquer dans le cas de grands
volumes. L’utilisation de jets pariétaux inclinés étant, dans ce cas, une solution
intéressante, nous allons étudier, dans le cadre de la thèse de T. Chammem, la
dynamique de deux jets pariétaux se faisant face dans un canal de dimensions
variables. L’approche sera d’abord numérique (utilisation de Fluent) puis
expérimentale.
35
UMR 6595- Projet
36
UMR 6595- Projet
II.4 AXE « MILIEUX DIVISES »
1. Projet de recherche
Les projets de recherche au sein du GEP s’inscrivent en partie dans la suite des
travaux commencés récemment, mais présentent également des thématiques
nouvelles notamment sur l'influence de l'inertie et de la turbulence sur les
écoulements de suspensions et les milieux granulaires complexes. Leurs réalisations
s’appuieront sur l’arrivée de deux nouveaux permanents Gilles Bouchet en mutation
CNRS, qui s’investira sur les problèmes de sédimentation turbulentes, et Geoffroy
Guena jeune Maître de conférence recruté en 2010 qui démarrera des projets à
cheval sur les suspensions de particules et de gel, et des problèmes biomimétiques.
Nous présentons ci-dessous les 4 grands thèmes que nous souhaitons aborder dans
les quatre années à venir, tout en poursuivant et en gardant notre expertise sur les
sujets plus anciens.
2. Détail des recherches
2.1 Suspensions inertielles et turbulentes
De nombreuses avancées ont été réalisées sur les écoulements de suspensions à
bas nombres de Reynolds (sans inertie) et en particulier dans notre groupe. Mais le
régime inertiel et turbulent n'a reçu que peu d’attention. Pourtant, la majorité des
applications pratiques (environnement, industries pétrolières et chimiques) implique
de l'inertie ou de la turbulence.
Nous proposons deux projets :
* Un premier projet conjoint en collaboration avec D. Saintillan (PICS avec
Urbana-Champaign) afin d'étudier expérimentalement et numériquement
l'influence de l'inertie lors de la sédimentation des suspensions. Il s'agira de
poursuivre le travail sur la sédimentation en l'absence d'inertie. Nous
proposons de mettre l'accent plus particulièrement sur deux types
d'écoulements: la sédimentation d'un jet de particules, et la sédimentation
d'une suspension homogène dans un récipient.
* Un second projet sur la comprehension des effets collectifs entre particules
sous l’effet de la gravité en régime turbulent.
Il s’inscrit dans la venue au laboratoire en juillet 2010 de Gilles Bouchet dont
l’expertise concerne les instabilités et transition à la turbulence. Nous
planifions de construire un dispositif expérimental permettant de générer de la
turbulence et d’examiner par vélocimétrie à image departicules (PIV) la
vitesse des particules et aussi leur structuration au sein de l’écoulement. Nous
comptons aussi développer un approche numérique en collaboration entre
autres avec Eckart Meiburg de l’Université de Californie à Santa Barbara.
37
UMR 6595- Projet
2.2. Suspensions denses, Granulaires mouillés
La thématique des suspensions denses est en plein développement depuis deux
ans. Le cœur de la problématique est de tenter de jeter un pont entre les milieux
granulaires pour lesquels les contacts entre grains jouent un rôle fondamental et les
suspensions principalement contrôlées par les interactions hydrodynamiques.
L’étude du couplage entre le milieu granulaire et le fluide interstitiel est envisagée
dans plusieurs configurations.
Une première approche consistera à étudier la rhéologie des suspensions denses à
contraintes normales imposée plutôt qu’à fraction volumique imposée à l’aide d’une
cellule annulaire qui sera conçue et adaptée à notre rhéomètre. L’idée est d’appuyer
sur les grains par une grille qui laisse passer le fluide tout en imposant un
cisaillement contrôlé en faisant tourner la grille. Cette approche s’est avérée
extrêmement fructueuse dans le cas des milieux granulaires secs et devrait
permettre d’étudier finement la rhéologie des suspensions proches des compacités
d’empilements maximales.
D’autres configurations proches des problématiques géophysiques sont envisagées.
La première est la suite des études finalisées sur les avalanches sous marines et
consistera en l’étude d’effondrements de colonnes granulaires sous marines. Cette
configuration très pertinente en géophysique permettra de mieux comprendre
l’influence du fluide sur les processus avalancheux d’effondrement de falaise.
Comme dans le cas de couche uniforme nous étudierons précisément le rôle de la
compacité initiale et tenterons de modéliser l’effondrement dans le cadre de
modélisation diphasique.
Une seconde configuration où le couplage grains–fluide à des conséquences
importantes est la liquéfaction de sédiments sous vague. Nous souhaitons
poursuivre plus en détail nos expériences que nous avons réalisées et qui ont mis en
évidence des phénomènes incompris à l’interface entre le sédiment et l’eau. La
mesure de pression de pore en particulier a montré des sauts inexpliqués à
l’interface. Une étude précise dans un canal à houle plus adapté que celui de luminy
sera développé et le mouvement des particules sera précisément étudié nous
permettant peut être de comprendre le couplage pouvant exister entre le mouvement
horizontal des particules, la pression de pore et le phénomène de liquéfaction.
Enfin, nous envisageons de poursuivre notre étude de l’érosion et du transport de
sédiments par un écoulement dans une conduite. Dans nos études précédentes,
nous avons proposé une approche de milieu continu pour décrire le transport de
sédiment en utilisant une modélisation à deux phases avec une rhéologie
newtonienne pour la phase liquide et une friction de type Coulomb pour la phase
solide. Nous espérons confronter les prédictions de ce modèle à des mesures de
vitesse d'écoulement à la fois des particules et du fluide. Pour réaliser ces mesures
nous comptons mettre au point une technique d’ajustement d’indice entre les
particules et le fluide, qui permet de visualiser l’intérieur du lit de sédiment.
2.3. Vers des milieux granulaires plus complexes
Forts de nos compétences sur les milieux granulaires et les suspensions, nous
souhaitons démarrer des activités sur des milieux plus complexes que les systèmes
modèles étudiés jusqu’à présent, et se rapprocher de milieux rencontrés dans des
applications industrielles.
Une première thématique est l’écoulement et la compaction de milieux granulaires
cohésifs. La cohésion peut résulter de forces physico-chimiques à courte portée mais
38
UMR 6595- Projet
également de contacts mécaniques dûs à la forme complexe des grains, par
exemple pour des grains formés par granulation. La caractérisation de la cohésion
est souvent mesurée à travers des mesures indirectes de coulabilité, mais le lien
avec les caractéristiques microscopiques (taille et forme des gains, propriétés de
surface) reste à établir. Pour cela des expériences sur plan incliné vibré sont
envisagées. La vibration permet d’apporter une énergie extérieure pour mesurer le
seuil d’écoulement, et donc la cohésion du matériau granulaire. En complément, des
expériences de compaction sont envisagées dans lesquelles nous souhaitons étudier
l’influence de vibrations. Ce projet est soutenu par le CEA.
Un autre thème de recherche que nous mettons actuellement en place concerne des
suspensions de grains et de fluides non newtoniens. Ces matériaux se rencontrent
notamment en génie civil dans les bétons. L’idée serait dans un premier temps de
réaliser des mélanges d’un fluide à seuil modèle, le Carbopol, dont les propriétés
d’écoulement feront l’objet d’études précises, à des grains. Nous nous intéresserons
plus particulièrement aux rôles de particules allongées en lien direct avec le béton
fibré à ultra haute performance dans le cadre d’une recherché en genie civil. Dans ce
projet, la technique d’ajustement d’indice qui permet de visualiser les particules dans
un fluide jusqu’à des fortes concentrations sera développée. Dans ces systèmes, la
distribution de position mais aussi la distribution d’orientation sont des quantités
déterminantes pour le comportement macroscopique du fluide (seuil d’écoulement,
relation contrainte-déformation, etc.).
2.4 Biomécaniques des plantes
Nous poursuivrons notre ouverture thématique vers la biomécanique des plantes en
lien avec nos compétences sur les milieux divisés (diphasique, granulaire, fluide
complexe).
- Le premier projet concerne l’étude du couplage entre déformation et écoulement
dans les tissus végétaux. Ce couplage intervient à la fois lors de mouvements
passifs ou actifs, et pourrait jouer un rôle important dans la mécano-perception des
végétaux. Dans un premier temps, nous poursuivrons notre étude de la dynamique
d’objets poroélastiques fortement déformés (mousses élastomères plongées dans
des fluides visqueux) comme système modèle de tissu végétal. La réponse à des
chargements contrôlés sera étudiée en variant la géométrie et en adaptant à ces
systèmes les méthodes de visualisation mis au point pour les suspensions
granulaires denses (mesure iso-indice). Nous tenterons ensuite d’incorporer des
gradients de pression osmotique au sein du milieu poreux afin d’induire des
déformations mécaniques actives, par analogie avec les mouvements végétaux.
Parallèlement à ces études sur des systèmes modèles, nous mènerons des
expériences in vivo afin de tester l’hypothèse de mouvements rapides induits par des
variations rapides de pression. Une micro-sonde permettant de mesurer la pression
dans des cellules végétales sera utilisée afin de quantifier les flux d’eau et la
perméabilité de plantes présentant des mouvements rapides.
- Le deuxième projet concerne la mécanique de la perception de la gravité par les
plantes (gravitropisme). L’origine de cette perception se trouve dans des cellules
spécialisées contenant des petits grains d’amidon (statolithes) qui sédimentent sous
gravité. Si le rôle des statolithes est admis, le mécanisme de détection de la gravité
et le lien avec la réponse macroscopique de la plante est encore discuté. Nous
proposons d’étudier plus particulièrement le seuil de détection de la gravité et le rôle
de perturbations extérieures en mettant en place une expérience de table en rotation
sur laquelle pousseront les plantes. À plus long terme, nous souhaitons étendre ces
39
UMR 6595- Projet
mesures de sensibilité à l’échelle de la cellule, afin de faire le lien entre la réponse
macroscopique de la plante et la dynamique des capteurs de gravité dans la cellule.
Ce travail sera mené en collaboration avec B. Moulia (INRA Clermont-Ferrand) et
Valérie Legué (INRA Nancy) dans le cadre d’un appel d’offre « interface PhysiqueChimie-Biologie » du CNRS (obtenu en 2010).
- Enfin, nous poursuivrons notre collaboration avec L. Gaume (CNRS CIRAD
Montpellier) sur les propriétés rhéologiques du fluide complexe sécrété par les
Nepenthes, en collaboration avec des chimistes de Grenoble (CERMAV). L’objectif
est de caractériser les biopolymères responsables de la viscoélasticité du liquide,
pour des applications biomimétiques (projet PEPS CNRS obtenu en 2010).
40
UMR 6595- Projet
III. ACTIVITES DE RECHERCHE
TRANSVERSES
41
UMR 6595- Projet
42
UMR 6595- Projet
III.1 « BIOMECANIQUE : Biomécanique et modèles
pour la médecine et la biologie »
Les compétences du laboratoire en mécanique-énergétique, milieux poreux,
interaction fluide/structure, diagnostic optique, imagerie 3D, fluides complexes ont
permis depuis plusieurs années de nouer des contacts avec la communauté des
médecins et des biologistes autour de sujets à l’interface entre les sciences pour
l’ingénieur et les sciences de la vie. Ces études témoignent d’un besoin croissant de
la part des médecins et des biologistes d’outils issus de la mécanique/physique, et
constituent une source d’applications biomédicales (diagnostic de l’ostéoporose,
prothèses) ou biomimétiques (pompes actives en micro-fluidique, biopolymère
végétaux). Le laboratoire souhaite renforcer ces activités transverses aux axes
principaux du laboratoire en les affichant. Ces activités ne doivent toutefois pas être
vues comme un axe autonome ayant une direction thématique unique. Nous
présentons ci-dessous la liste des sujets abordés et regroupés selon les axes
principaux du laboratoire dans lesquels émargent les chercheurs impliqués dans ces
travaux.
Axe milieux divisés :
-Biomécanique des plantes (Rhéologie, Poroélasticité, Mécano-perception)
Axe physique des transferts
-Biomécanique des goutes de Sang/Serum/Plasma
-Microstructure osseuse
-Modélisation des anévrismes de l’aorte abdominale
-Modélisation des écoulements sanguins dans le cœur
Axe Ecoulement compressible, ondes de chocs et interfaces
- Modélisation des écoulements dans les voies aériennes supérieures
(Sténose trachéale, Fentes labiales, Sprays)
- Effet des ondes de chocs sur les cellules vivantes
- Optimisation des Traitements thérapeutique d’orthodontie
43
UMR 6595- Projet
44
UMR 6595- Projet
III.2 « DIAGNOSTICS OPTIQUES »
Les diagnostics regroupent l'ensemble des mesures et interprétations nécessaires à
la compréhension et au contrôle des phénomènes. Ils sont donc au cœur même de
la démarche scientifique et technologique. Les "diagnostics optiques", qui reposent
sur une modélisation et une analyse de l'interaction lumière-matière, sont
particulièrement appréciés pour leur rapidité et leur caractère peu intrusif. Ces
derniers sont à l'origine d'avancées fondamentales dans la plupart des domaines
scientifiques et notamment dans les domaines de recherche du laboratoire: milieux
fluides (écoulements supersoniques et hypersoniques, ondes de chocs, combustion,
instabilités thermo-convectives), milieux multiphasiques (écoulements à bulles,
fluidisation), systèmes nano et micro particulaires (nanofluides, suspensions,
aérosols, plasmas), le contrôle non destructif des systèmes (propriétés
thermophysiques, flux de chaleur, morphologie), la biomécanique (ostéoporose,
aéraulique interne), etc.
Les différentes équipes du laboratoire effectuent un grand nombre de diagnostics
optiques, pour leurs besoins propres ou dans le cadre de collaborations pour
lesquelles leur expertise dans ce domaine est recherchée. Ce dernier point apparaît
clairement au travers de la place que ces diagnostics occupent dans les projets de
recherche conduits avec différents organismes (CEA-DAM, IRFM, DGA, CNES,
ESA, ONERA...) et partenaires industriels (Airbus, CILAS, Saint-Gobain
Recherche...); de même que dans la reconnaissance des activités du laboratoire par
le pôle de compétitivité optique & photonique (Optitec). Pour répondre à un besoin
particulier, ou nouveau, le développement d'un diagnostic optique original peut
s'avérer nécessaire. Il s'agit dans ce cas d'un sujet de recherche à part entière, qui
revêt un caractère pluridisciplinaire quand il nécessite la prise en compte des
problématiques liées à la mécanique énergétique et à l'électromagnétisme, mais
aussi aux techniques inverses et de reconstruction, l'instrumentation scientifique et le
génie logiciel. En fait, qu'il soit novateur ou simplement adapté à une problématique
scientifique particulière, l'outil optique demeure complexe. Sa maîtrise théorique et
numérique, comme sa mise en œuvre matérielle, exigent des compétences pointues
et des investissements conséquents qui doivent être mutualisés et mieux valorisés.
L'axe transverse "Diagnostics Optiques", nouvellement créé par le laboratoire, a
donc pour but de structurer et développer ses activités de recherche sur les
diagnostics laser ou électromagnétiques (infrarouge, visible, UV ou X), les
techniques d'imagerie et les analyses morphologiques. Sept activités relevant de cet
axe transverse ont été identifiées:
- Modélisation des propriétés de diffusion de la lumière de systèmes particulaires,
- Caractérisation de la dynamique des systèmes en écoulement,
- Imagerie des écoulements par diffusion et fluorescence induite,
- Granulométrie, composition et concentration de systèmes particulaires,
- Caractérisation non-destructive et quantitative de grandeurs thermophysiques,
- Analyses morphologiques et reconstructions 3D,
- Vision artificielle.
La création de cet axe transverse constitue une première étape importante. Son
développement est envisagé au travers:
45
UMR 6595- Projet
(i) de la mutualisation des moyens actuels et des demandes à venir
d'équipements mi-lourds (sources laser, capteurs, spectromètres, bancs de mesure
optiques et de tomographie X) auprès des organismes de tutelle, des collectivités
territoriales et de la future fédération de recherche de mécanique-énergétique.
(ii) de la constitution, à terme, d'un service de métrologie et d'instrumentation
avec le recrutement d'un ingénieur responsable du service. Ceci, afin de mutualiser
de manière plus sereine les matériels fragiles et coûteux, de diffuser les
compétences et solutions développées par les différents chercheurs et pour
décharger ces derniers des travaux les plus techniques.
(iii) des collaborations scientifiques accrues entre les différents chercheurs et
enseignants-chercheurs contribuant à ces activités (organisation de séminaires
réguliers, renforcement des synergies modélisation/expérimentation, élaboration de
projets scientifiques communs).
46
UMR 6595- Projet
III.3 « GENIE CIVIL »
Le département Génie civil de Polytech’Marseille créé en 2006 et accueillant 60
étudiants par promotion doit maintenant compléter ses compétences pédagogiques
en développant la recherche à travers divers thèmes de recherche qu’il reste encore
à établir et à cibler. Corrélativement les recherches effectuées au laboratoire dans
les quatre axes de recherche ont des implications directes dans le domaine du génie
civil. Cette double conjonction nous a conduit tout naturellement à envisager une
activité transverse en génie civil. Cette activité pourrait devenir à terme un axe de
recherche à part entière si des développements originaux ont lieu dans les
prochaines années. Les sujets de recherche suivants en développement ou
envisageables au laboratoire sont en prise directe avec le genie civil :
-
La rhéologie des fluides complexes et carctéristiques mécaniques pour les bétons
à ultra haute performance (BFUP)
La liquéfaction des sols et l’interaction sol-structure
La rhéologie des solides appliquée aux bétons sous impacts
L’interaction fluide-structure pour l’implantation des bâtiments
L’étude des vibrations et dégradation sur les structures : applications
parasismiques aux constructions.
L’autre sujet qui pourrait très rapidement prendre des développements importants
concerne les performances énergétiques des bâtiments. En effet le laboratoire
possède une grande compétence dans les transferts thermiques et les systèmes
énergétqiues. Ces comptences pourraient être mises à profit pour le bâtiment. Il
serait cependant judicieux de le faire en collaboration avec d’autres laboratoires de la
fédération de mécanique à Marseille.
47
UMR 6595- Projet
48
Laboratoire IUSTI - CNRS UMR 6595
Polytech’Marseille, Technopôle de Château-Gombert
5 rue Enrico Fermi, 13453 Marseille cedex 13, FRANCE.
http://iusti.univ-provence.fr/