Service de Physique de l'Etat Condensé

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Etude expérimentale de l’anomalie dissipative dans un écoulement turbulent

Spécialité

Hydrodynamique

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

07-03-2018

Durée

4 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

DUBRULLE Berengere
+33 1 69 08 72 47

Résumé/Summary

Le projet de ce stage, qui se prolonge en sujet de thèse, est de participer à la mise en place du programme expérimental en PIV-3D, puis au post-traitement et à l'analyse des données expérimentales pour mettre en évidence d'éventuelles singularités du champs de vitesse (cf Problème du Millenium).

Sujet détaillé/Full description

L'anomalie de dissipation, discuté par G.I. Taylor dès 1935, traduit le fait que la dissipation d'énergie ne décroit par avec la viscosité, ou lorsqu'on augmente la turbulence, mais au contraire, tend vers une valeur asymptotique constante, a priori non universelle. Cette observation est à la base de la théorie de Kolmogorov de la turbulence. Elle a été utilisée en 1949 par Onsager pour tirer une conclusion remarquable: dans la limite de viscosité nulle, le champ de vitesse ne reste pas différentiable. Cela signifie que l'anomalie dissipative pourrait être connectée à l'existence de singularités dans l’équation de Navier-Stokes.

Les "singularités" sont définies comme des points où la vitesse du fluide n'est plus assez régulière pour satisfaire les équations de Navier-Stokes, i.e. n'est plus deux fois dérivable. Des travaux récents [D00] prouvent que cette question n’est pas que d’un intérêt purement mathématique, puisqu’ils mettent en évidence une dissipation d’énergie non visqueuse au voisinage de singularités. Cela pourrait expliquer en partie l’anomalie de dissipation, comme l’avait déjà fait remarquer Onsager [O49]. La quête des singularités dans les équations de Navier-Stokes représente un problème non résolu (cf. AMS Millenium Clay Prize), mais les récentes avancées, tant au niveau numérique qu’expérimental, rendent ce problème de nouveau d’actualité. En effet, en utilisant les progrès récents dans la visualisation des écoulements expérimentaux turbulents, il est maintenant possible de sonder un écoulement turbulent à l’échelle de Kolmogorov, et de mesurer ses trois composantes avec une bonne statistique.

Un projet de recherche ANR a été obtenue en 2016 avec le Laboratoire de Mécanique de Lille et l'équipe SPHINX du CEA Saclay (B. Dubrulle, F. Daviaud) pour étudier les structures dissipatives et tenter de détecter la présence de singularités dans un écoulement turbulent de von Karman. L'équipe SPHINX possède une longue expérience avec ce type d'écoulement qui est un candidat idéal pour l'étude des singularités potentielles des équations de Navier Stokes. Nous proposons dans cette thèse d’utiliser cet écoulement forcé avec différents types de turbines, en particulier fractales. L’idée est de forcer le fluide à différentes échelles et fréquences d’excitation de manière à favoriser le développement d’éventuelles singularités. Nous essaierons d’obtenir des mesures directes des champs de vitesse en zoomant à plusieurs échelles, pour chercher dans l’espace des échelles les différentes structures responsables de l’anomalie dissipative. Dans le cadre de l'ANR, des mesures de Particle Image Velocimetry 2D et 3D serons réalisées et une nouvelle méthode d’analyse multi-échelles similaire à la transformée en ondelettes sera développée.

Ce stage et cette thèse, financée par le projet ANR, sera réalisée en étroite collaboration avec l'équipe SPHINX du CEA. Le programme de la thèse sera déroulera en parallèle de plusieurs thèses théorique, numérique & expérimentales déjà engagées sur la même problématiques de singularités des équations de Navier Stokes. Le projet de cette thèse est de participer à la mise en place du programme expérimental en PIV-3D, puis au post-traitement et à l'analyse des données expérimentales. La thèse, co-dirigée par J-P Laval (CNRS) et J.-M. Foucaut (Prof. Centrale Lille), requiert une solide formation théorique en mécanique des fluides et si possible en mécanique statistique, ainsi qu’un goût prononcé pour l’expérimentation et l'analyse numérique. Des compétences en numérique (Fortran, C Matlab ou Python seront appréciées).

Mots clés/Keywords

Turbulence, mathématique, physique statistique

Compétences/Skills

Stage et thèse, co-dirigés par J-P Laval (CNRS) et J.-M. Foucaut (Prof. Centrale Lille), requierent une solide formation théorique en mécanique des fluides et si possible en mécanique statistique, ainsi qu’un goût prononcé pour l’expérimentation et l'analyse numérique. Des compétences en numérique (Fortran, C Matlab ou Python seront appréciées).

Logiciels

Fortran, C Matlab ou Python
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Projet "ToughGlasses" : Amélioration de la réponse des verres d’oxydes à la corrosion sous contrainte
ToughGlasses: Researching tomorrow’s glasses today

Spécialité

Physique de la matière condensée

Niveau d'étude

Bac+4/5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

29-03-2019

Durée

2 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

ROUNTREE Cindy
+33 1 69 08 26 55

Résumé/Summary

Ce "Projet de recherche conjoint - PRC" du CNRS est motivé par la nécessité d'évaluer puis améliorer la durabilité mécanique des verres. Les verres sont des matériaux indispensables dans les technologies qui nécessitent des matériaux résistant à la chaleur (panneaux de protection). On les trouve en particulier dans les techniques associées à la production d'énergie bas-carbone, ou permettant d'affronter des environnements hostiles (satellite spatial)....
Dans ces environnements, les verres subissent de nombreux dommages (craquage par corrosion sous contrainte, tempêtes de sable, irradiations externes, températures élevées ...) qui peuvent entraîner une défaillance prématurée et des modifications des propriétés physiques et mécaniques. Les verres qui subissent une séparation de phase amorphe sont connus pour être résistants à l'écrasement. Cependant, leurs propriétés de "fracture par corrosion sous contrainte (CSC)" sont encore trop peu connues. La question qui sera abordée est ici de comprendre comment le comportement de CSC en présence d'une phase amorphe démixée, comparée au verre natif.
This project is a fundamental CNRS-joint research project (PRC) motivated by the need to improve and assess the glasses’ mechanical durability over the long term. Glasses are integral parts of heat resistant technologies, protection panels, low-carbon energies, satellites…. These systems and others undergo a variety of damage (stress corrosion cracking, sand storms, external irradiations, high temperatures…) which can lead to premature failure and alterations of the physical and mechanical properties. Glasses that undergo amorphous phase separation are known to be crush resistant. However, their Stress Corrosion Cracking (SCC) properties are outside the current knowledge available in literature. Hence, the question here how does the SCC behavior change in an amorphous phase separated glass versus is pristine counterpart.

Sujet détaillé/Full description

C’est un projet de recherche fondamentale (CNRS - Projets de recherche conjoints (PRC) ) motivé par la nécessité de prédire (puis contrôler et améliorer) l’effet de la composition chimique sur la durabilité mécanique des verres sur le long terme. Les verres d’oxydes font partie de nombreuses structures (panneaux de protection, satellites, cellules photovoltaïques…) subissant des sollicitations variées (corrosion sous contrainte, vents, irradiations, température élevée…) pouvant amener endommagement intempestif et/ou altération de leurs fonctionnalités. Or, si on connait bien l’effet de la composition chimique sur nombre de ses propriétés physiques (température de transition vitreuse, transparence, propriétés calorifiques…), peu de choses sont connues sur la façon dont cette composition impacte le comportement en rupture ou en corrosion sous contrainte.

Cette thèse se propose donc d’étudier la fracturation de plusieurs compositions de verres à base de SiO2-B2O3-Na2O dans la zone de démixtion. Pour ce faire, des fractures dont la vitesse est contrôlée par la contrainte externe et par le degré d’humidité ambiant seront initiées dans les échantillons et une caractérisation des surfaces fracturées sera réalisée post mortem par des observations à l’aide d’un AFM (Atomic Force Microscopy). Cette méthode, éprouvée depuis de longues années par le groupe, permet de mesurer l’enchaînement des différents régimes de rugosité avec la distance. Elle sera appliquée aux différents échantillons. Les modifications du processus de fracturation selon le changement de la composition des verres seront ainsi mises en évidence.

En parallèle aux expériences de fracturation, différentes analyses visant à caractériser les propriétés élastiques des échantillons (microscopie acoustique) ainsi que leurs structures (Raman, RMN, WAXS…) seront menées de manière à corréler le comportement à la fracturation des verres avec d’autres propriétés macroscopiques et microscopiques.
"ToughGlasses" is a fundamental research project motivated by the need to improve and assess glasses mechanical durability over the long term. Glasses are integral parts our daily lives (buildings, cars, dishes…) along with being integral parts of heat resistant technologies, protection panels (smart phones, plasma screens…), low-carbon energies (protection for solar panels) and satellites in outer space to name a few. These systems and others undergo a variety of damage (consumer use, sand storms, external irradiations, high temperatures…) which can lead to premature failure and/or alterations of the physical and mechanical properties. Frequently, post-mortem failure studies reveal material flaws which were propagating via Stress Corrosion Cracking (SCC). A recent question arriving in the field has been: Can the Amorphous Phase Separation (APS) of SiO2-B2O3-Na2O (SBN) glasses provide the necessary structure to enhanced SCC behavior? ToughGlasses aim is to fill this gap and to unravel the secret behind enhanced SCC behavior.

The Ph.D. candidate will have the opportunity to study the physical, mechanical and stress-corrosion cracking properties of APS glasses. The primary objective of this study will be to observe stress corrosion crack propagation in situ and the analysis of fracture surfaces in several pristine and APS glasses. Hence, providing information on environmental limit of stress corrosion cracking and understanding of how the crack growth occurs in APS glasses. This method was previously used in our group to study the process zone size versus the crack front velocity in pure silica (SiO2) and several SBN samples. Repeating this study for SBN APS glasses compositions will aid in the understanding of how the physical structure of glasses alters the mechanical properties. In conjunction with the primary objective, the candidate will have the occasion to characterize the elastic properties of the samples and their structures (Raman, NMR spectroscopy, X-ray absorption …) with various collaborators including collaborators in CEA, DEN and University of Rennes. This will allow for a comparison of the fracture behavior of glasses with other macroscopic and microscopic properties.

Logistically, the PhD candidate will be co-advised by C. L. Rountree at CEA and F. Célarié at Université de Rennes 1. Glass formation and preliminary tests will occur at Université de Rennes 1 and stress corrosion cracking tests along with other tests will be carried out at CEA. In conclusion, the theme of this project is the comprehension of the source of the changes in the macroscopic property, and in particular how to control the stress corrosion cracking properties by varying the structure of glasses through Amorphous Phase Separation.

Mots clés/Keywords

Verre, AFM microscopie, Raman, RMN
Glasses, AFM, Raman, NMR, spectroscopy

Compétences/Skills

AFM, NMR, RAMAN
AFM, NMR, RAMAN

Logiciels

Matlab

 

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