Service de Physique de l'Etat Condensé

Dernière mise à jour : 20-09-2017

6 sujets /SPEC/SPHYNX

 

Dissipation, cascades et singularités en turbulence

SL-DRF-17-0173

Domaine de recherche : Matière molle et fluides complexes
Laboratoire d'accueil :

Service de Physique de l'Etat Condensé (SPEC)

Systèmes Physiques Hors-équilibre, hYdrodynamique, éNergie et compleXes (SPHYNX)

Saclay

Contact :

Bérengère DUBRULLE

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2017

Contact :

Bérengère DUBRULLE

CNRS - DRF/IRAMIS/SPEC/SPHYNX

0169087247

Directeur de thèse :

Bérengère DUBRULLE

CNRS - DRF/IRAMIS/SPEC/SPHYNX

0169087247

Page perso : http://iramis.cea.fr/Pisp/berengere.dubrulle/index.html

Labo : http://iramis.cea.fr/spec/sphynx/

La turbulence est un état atteint par la majeure partie des fluides dans des conditions “extrêmes” -fortes vitesses ou températures, grande taille du système-. Elle se manifeste dans de nombreux domaines industriels (turbines), aéronautiques (avions, fusées), géophysiques (atmosphère, océan) ou astrophysiques (étoiles, galaxies). Comprendre les phénomènes de turbulence constitue donc un enjeu scientifique, technologique et économique important. Soumis à une agitation mécanique, un fluide visqueux convertit le travail appliqué en chaleur via un processus complexe: son écoulement se structure en mouvements tourbillonnaires qui se ramifient sur plusieurs échelles allant de la taille du système (océan, lac, récipient,…) à l'échelle la plus fine, fonction de la viscosité. L’énergie injectée dans le fluide est finalement dissipée par effet de viscosité. Depuis près de 80 ans, on décrit ce processus par un modèle de cascade auto-similaire, dû a Kolmogorov. Ce modèle sert de base à presque tous les modèles actuels de turbulence, et permet de reproduire extrêmement bien la majeure partie des grandes échelles des écoulements turbulents. Cependant, ce modèle devient de plus en plus mauvais au fur et à mesure que l'on descend vers les petites échelles, et ne permet pas de comprendre le comportement très intermittent de la dissipation d'énergie. Cela limite considérablement la modélisation des processus impliquant la turbulence à petite échelle, comme la combustion (problème pour simuler les moteurs) ou la condensation de gouttes (problème pour simuler la pluie en météo ou en climat).

Le but de la thèse est de tester une nouvelle description de la cascade d'énergie, basée sur l'hypothèse que la turbulence contient des singularités dans la limite de la viscosité tendant vers zéro. La quête des singularités dans les équations d’Euler ou de Navier-stokes représente un problème bien connu (cf. AMS Millenium Clay Prize), mais les récentes avancées, tant au niveau numérique qu’expérimental, remettent ce problème de nouveau d’actualité. En particulier, notre groupe a récemment mis en évidence, dans un écoulement turbulent de laboratoire, l'existence d'événements intenses de dissipation d'énergie non-visqueuse qui pourraient être associés aux singularités recherchées par les mathématiciens (Saw et al, Nature Communication 7, 12466 (2016)). Ces évènements ne sont pas décrits par le modèle de Kolmogorov, et pourraient servir de base à de nouvelles modélisations plus fidèles à petite échelle.



Nous proposons dans cette thèse une étude détaillée des processus de cascade et de dissipation d'énergie en utilisant le code SFEMaNS, qui sera testé par comparaisons avec les mesures expérimentales. Ce code utilise des éléments finis et une décomposition spectrale ainsi que des méthodes avancées de pénalisation, pour reproduire fidèlement l'expérience de laboratoire utilisée au SPEC

Effets thermoélectriques dans les ferrofluides

SL-DRF-17-0010

Domaine de recherche : Matière molle et fluides complexes
Laboratoire d'accueil :

Service de Physique de l'Etat Condensé (SPEC)

Systèmes Physiques Hors-équilibre, hYdrodynamique, éNergie et compleXes (SPHYNX)

Saclay

Contact :

SAWAKO NAKAMAE

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2017

Contact :

SAWAKO NAKAMAE

CEA - DRF/IRAMIS/SPEC/SPHYNX

0169087538

Directeur de thèse :

SAWAKO NAKAMAE

CEA - DRF/IRAMIS/SPEC/SPHYNX

0169087538

Page perso : http://iramis.cea.fr/Pisp/sawako.nakamae/

Labo : http://iramis.cea.fr/spec/SPHYNX

Aujourd’hui, une grande part de l’énergie utilisée dans les processus industriels, entre 20 et 50%, est inutilement perdue en "chaleur fatale" sans être réutilisée. Jusqu’à 60-70% de l’énergie dans les moteurs à combustion interne est tout simplement relâchée dans l’atmosphère. Dans ce contexte, la récupération et la transformation en énergie électrique ou mécanique d’une partie de la chaleur fatale représente un enjeu important pour réduire la consommation globale.



Lorsqu'on chauffe un barreau conducteur à une extrémité, les électrons acquièrent de l'énergie cinétique et diffusent vers la partie froide. Les ions positifs par contre restent immobiles et il en résulte un déséquilibre de charge d'où l'apparition d'un champ électrique et d'un potentiel électrique dV proportionnel à la différence de température dT : dV=-SdT. Le facteur de proportionnalité S est appelé "coefficient Seebeck". Ceci fournit un schéma de principe à la conversion d'énergie thermique en énergie électrique (effet Seebeck) ou réciproquement (effet Peltier). Dans les deux cas, le rendement est une fonction croissante du "facteur de mérite" ZT=(S^2/Rho*Lambda)T où Rho et Lambda désignent respectivement les conductivités électrique et thermique du matériau. L'effet thermoélectrique dans des liquides conducteurs tels que les liquides ioniques, les solutions colloïdales chargées, etc., font l'objet de nombreuses études à cause de leur coefficient Seebeck très élevé. L’origine de la valeur élevée du coefficient Seebeck n’est pas encore complètement comprise. De possibles interprétations sont que le coefficient Seebeck croît avec l'entropie transportée par les ions et par les particules colloïdales chargées et que les macro-ions ou particules colloïdales chargées sont adsorbées à la surface des électrodes en créant un effet de double couche électrique (très élevé, à enlever).



Dans ce stage, nous proposons l'étude expérimentale des propriétés thermoélectriques de fluides complexes (e.g., liquides ioniques, ferrofluides (solutions colloïdales de nanoparticules magnétiques) afin de faire progresser notre compréhension sur l’origine physique de ce phénomène et d’identifier les nouveaux matériaux thermoélectriques dans le domaine du stockage de l'énergie (générateur thermoélectrique et supercondensateurs.). Le travail expérimental fera appel aux techniques de mesure du transport thermoélectrique et électrique, à la mesure de la charge thermoélectrique, à la caractérisation électrochimique (voltamétrie cyclique) ainsi que à l'acquisition automatisée des données et à l’interprétation des mesures.

Etude tridimensionnelle de la déstabilisation des écoulements

SL-DRF-17-0528

Domaine de recherche : Matière molle et fluides complexes
Laboratoire d'accueil :

Service de Physique de l'Etat Condensé (SPEC)

Systèmes Physiques Hors-équilibre, hYdrodynamique, éNergie et compleXes (SPHYNX)

Saclay

Contact :

Gilbert ZALCZER

Romain Monchaux

Date souhaitée pour le début de la thèse :

Contact :

Gilbert ZALCZER

CEA - DRF/IRAMIS/SPEC/SPHYNX

0169083164

Directeur de thèse :

Romain Monchaux

ENSTA Paristech - IMSIA

01.69.31.97.66

Page perso : http://iramis.cea.fr/spec/Phocea/Membres/Annuaire/index.php?uid=zalczer

Labo : http://iramis.cea.fr/spec/SPHYNX/

Les écoulements des liquides soumis à une sollicitation ont toujours été un sujet d'étonnement et de fascination, par la diversité des effets observés. Un écoulement simple à faible sollicitation se complique progressivement quand la vitesse augmente, passe par plusieurs transitions avant d'atteindre un état turbulent.



Grâce aux nouvelles techniques d'imagerie rapide et de contrôle de faisceaux laser, il semble désormais possible d'établir de façon "instantanée" des champs des 3 composantes de la vitesse dans l'ensemble du volume d'un écoulement au-delà de la déstabilisation de l'écoulement laminaire. Nous avons déjà réalisé des mesures en volume de 2 composantes de la vitesse, mais même pour l'écoulement de base, la reconstruction d'un champ de vitesses à partir de ces données a été impossible. Des expériences préliminaires ont laissé espérer la possibilité par stéréoscopie de détecter également la troisième composante de la vitesse. Le travail expérimental consistera en un premier temps à regrouper ces éléments techniques en un montage opérationnel puis étudier la large gamme des écoulements perturbés.

Influence des conditions aux limites sur les états stationnaires d'un système hors équilibre

SL-DRF-17-0968

Domaine de recherche : Matière molle et fluides complexes
Laboratoire d'accueil :

Service de Physique de l'Etat Condensé (SPEC)

Systèmes Physiques Hors-équilibre, hYdrodynamique, éNergie et compleXes (SPHYNX)

Saclay

Contact :

Bérengère DUBRULLE

Christophe GOUPIL

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-09-2017

Contact :

Bérengère DUBRULLE

CNRS - DRF/IRAMIS/SPEC/SPHYNX

0169087247

Directeur de thèse :

Christophe GOUPIL

Paris-Diderot (Paris 7) - LIED

0157276133

Page perso : http://iramis.cea.fr/Pisp/berengere.dubrulle/index.html

Labo : http://iramis.cea.fr/spec/sphynx/

Voir aussi : http://www.lied-pieri.univ-paris-diderot.fr/?lang=fr

Les états d’équilibre d’un système classique à courte portée maximisent l’entropie thermodynamique et sont indépendant de l’ensemble considéré : ils sont les mêmes si on fixe l’énergie (ensemble micro-canonique) ou la température (ensemble canonique). Dans un système avec interactions à longue portée, les états d’équilibre ne sont plus universels, et peuvent dépendre de la façon dont on fixe les variables thermodynamiques qui décrivent le système. Ce phénomène, appelé « inéquivalence d’ensemble », est maintenant bien compris et relié aux propriétés de concavité de l’entropie.

De façon surprenante, il semble exister un phénomène similaire pour les états stationnaires de certains systèmes hors-équilibre : par exemple, dans un écoulement turbulent tourbillonnaire, il a été prouvé récemment que les états stationnaires observés dans une situation où le moment cinétique est fixé sur les bords, diffèrent des états stationnaires où le flux de moment cinétique est fixé sur ces bords. De la même manière, la façon dont se dissipe l’énergie mécanique n’est pas la même dans un écoulement convectif selon qu’on force avec une température fixée, ou avec un flux fixe. Des signatures semblables sont aussi observées et prédites dans des systèmes thermoélectriques, qui peuvent servir de systèmes modèles. En l’absence de théorie bien établie gouvernant la dynamique des systèmes hors équilibre, il n’existe pas à l’heure actuelle de compréhension de ces deux observations, ni a fortiori de prédiction concernant la généralité de ce phénomène : les états stationnaires d’un système hors équilibre sont-ils universels ou dépendent-il de si on les force à l’aide d’un stock, ou par un flux ’ L’enjeu de cette question n’est pas seulement théorique. Il existe en effet de nombreux systèmes hors équilibre autour de nous dont on aimerait prédire le comportement lors d’un changement de conditions aux limites : par exemple, comment se transformera notre économie lorsque qu’on basculera d’un système où l’énergie est fournie par un stock (énergie fossiles), vers un système où l’énergie est fournie par un flux (énergies renouvelables).

Le but de la thèse est d’apporter des éléments de réponse à ces questions en utilisant notamment des modèles jouets de systèmes hors-équilibres (circuits électriques, modèle ASEP ou ZRP,…). On s’attachera dans un premier temps à comprendre et à formaliser la sélection des états stationnaires, en utilisant notamment des outils récents de systèmes dynamiques et de théorie des systèmes stochastiques. On essaiera dans un deuxième temps d’appliquer ces résultats à deux écoulements de laboratoire étudiés au LIED et au SPEC (cf. Figure), ainsi qu’à un modèle simplifié d’échange économiques sous contrainte énergétique.

Mesures optiques de la dissipation et des flux d’énergie dans des écoulements turbulents

SL-DRF-17-0878

Domaine de recherche : Matière molle et fluides complexes
Laboratoire d'accueil :

Service de Physique de l'Etat Condensé (SPEC)

Systèmes Physiques Hors-équilibre, hYdrodynamique, éNergie et compleXes (SPHYNX)

Saclay

Contact :

Sébastien AUMAÎTRE

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2017

Contact :

Sébastien AUMAÎTRE

CEA - DRF/IRAMIS/SPEC/SPHYNX

01 69 08 74 37

Directeur de thèse :

Sébastien AUMAÎTRE

CEA - DRF/IRAMIS/SPEC/SPHYNX

01 69 08 74 37

Page perso : http://iramis.cea.fr/Pisp/sebastien.aumaitre/

Labo : http://iramis.cea.fr/spec/SPHYNX/

L'objectif de cette thèse est d'étudier les fluctuations de puissances dans les écoulements turbulents. Les approches classiques ont déjà montré que la stationnarité des écoulements turbulents, qui impose l'égalité des puissances moyennes injectées à grande échelle et dissipée aux petites échelles, contraint le spectre des vitesses. Mais pour aller au-delà et expliquer la complexité et l'intermittence des écoulements turbulents, on peut s'intéresser aux propriétés statistiques des fluctuations des puissances mises en jeu dans les écoulements. Notamment on peut espérer mettre en évidence les corrélations entre puissance injectée et dissipée qu'impose la stationnarité et explorer leurs conséquences sur la structure de l’écoulement. Le défi expérimental sera d'estimer les fluctuations de puissance dissipée car cela nécessite une mesure fine des gradients de vitesse sur tout le volume de l'écoulement. Pour y parvenir, nous souhaiterions développer des mesures optiques de diffusion multiple couplées à l'acquisition d'image ultra-rapide. On complètera cette méthode innovante avec des mesures plus classiques afin de mesurer simultanément la puissance injectée et de chartériser la structure de l'écoulement.

Amélioration des générateurs aléatoires de données climatiques ou financières, en utilisant leur dynamique

SL-DRF-17-0773

Domaine de recherche : Modélisation du climat
Laboratoire d'accueil :

Service de Physique de l'Etat Condensé (SPEC)

Systèmes Physiques Hors-équilibre, hYdrodynamique, éNergie et compleXes (SPHYNX)

Saclay

Contact :

Davide Faranda

Bérengère DUBRULLE

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-09-2017

Contact :

Davide Faranda

CEA - DRF/LSCE (DSM)

0169085232

Directeur de thèse :

Bérengère DUBRULLE

CNRS - DRF/IRAMIS/SPEC/SPHYNX

0169087247

Page perso : http://iramis.cea.fr/spec/Phocea/Membres/Annuaire/index.php?uid=dfaranda

Labo : http://iramis.cea.fr/spec/sphynx/

Voir aussi : http://iramis.cea.fr/Pisp/berengere.dubrulle/index.html

La prévision et la compréhension du comportement de systèmes complexes tels que la turbulence, le climat ou les finances reste une tâche difficile. Pour résoudre ce problème, divers outils ont été développés à l'aide de la théorie des systèmes dynamiques, de la mécanique statistique ou des ajustements stochastiques pour les données, tel que le procédé ARMA (Auto Regressive Moving Average). De telles approches sont toutefois limitées par la présence de multiples états métastables, capables de piéger le système dans un état quasi-stationnaire hors-équilibre, ou d'attirer les trajectoires dans l'espace des phases.



Des exemples de tels états métastables bloqués sont par exemple les flux zonaux de la dynamique atmosphérique à mi-latitude, ou encore les crises et la période de croissance en économie ou finances.



À l'heure actuelle, il n'existe pas de théorie générale permettant de prédire la plausibilité, la durée de vie ou la dynamique autour de ces états métastables. Une description améliorée de la dynamique du système des trajectoires en présence d'états métastables a été récemment obtenue en échantillonnant les données temporelles originales en sous-échantillons courts qui obéissent aux processus ARMA de base [voir : 1,2,3]. Dans ces articles, plusieurs indicateurs sont dérivés pour analyser les données. Ils fournissent des informations sur le nombre de degrés de liberté actifs dans les systèmes et la probabilité de sauts vers d'autres états métastables.



L'objectif de cette étude de doctorat est d'aller un peu plus loin et d'utiliser cette méthode pour prévoir le comportement de systèmes complexes. Le candidat construira des générateurs stochastiques de turbulences plausibles, de climat et de domaines financiers, en incluant les propriétés dynamiques sous-jacentes telles que celles dérivées des indicateurs précédents. Il / elle évaluera la qualité des champs générés en comparant les résultats sur des données réelles. Au cours de la thèse, le candidat développera ses compétences en statistique, en physique fondamentale, en dynamique climatique et en finance. Il développera des outils et des modèles numériques avec l'analyse des séries chronologiques.



La thèse requiert une bonne connaissance des processus stochastiques et donc en arrière-plan des compétences en statistiques appliquées et en physique théorique. Le candidat doit maitriser des logiciels d'analyse statistique comme R, Matlab et / ou Python. Il / elle doit avoir un bon niveau de compréhension de la langue anglaise, pour travailler dans un environnement international.



[1] Davide Faranda, Gabriele Messori and Pascal Yiou. Dynamical proxies of North Atlantic predictability and extremes. Accepted for publication in Scientific Reports, 2017.

[2] Guillaume Nevo, Nikki Vercauteren, Amandine Kaiser, Berengere Dubrulle, Davide Faranda. A statistical-mechanical approach to study the hydrodynamic stability of stably stratified atmospheric boundary layer. Submitted, 2017.

[3] Davide Faranda and Dimitri Defrance: A wavelet-based-approach to detect climate change on the coherent and turbulent component of the atmospheric circulation. Earth System Dynamics, 7 517-523, 2016.

• Matière molle et fluides complexes

• Modélisation du climat

 

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