Missions

Il est connu que les écoulements turbulents, dans la nature ou en laboratoire, sont sujets à des bifurcations aléatoires, au cours desquelles l’écoulement bascule spontanément d'un comportement à un autre sur une période de temps aléatoire. Les écoulements de Von Kármán, où une bifurcation à grande échelle a déjà été observée, en sont un très bon exemple. Cependant, la compréhension précise de l'origine de ces bifurcations nous échappe toujours à l’heure actuelle, empêchant ainsi la prévision de tels événements. Une des hypothèses est que le déclenchement se produirait des événements extrêmes à petite échelle qui se propagent à grande échelle.

Une vérification détaillée de cette hypothèse nécessite donc des outils multi-échelles et des dispositifs expérimentaux dédiés, ainsi que le développement d'une base de données expérimentales. Dans ce contexte, l'un des objectifs du projet ALEAS est d'utiliser deux dispositifs expérimentaux déjà existants au SPEC et de les instrumenter en conséquence : un écoulement dit de de Von Karman de 10 cm de rayon sera instrumenté à l'aide d'un ensemble de capteurs de pression 1D et de caméras événementielles, pour recréer un système de vélocimétrie par imagerie de particules (PIV) capable d'enregistrer les variations du champ d'écoulement à grande échelle. La vision événementielle est relativement nouvelle dans le domaine de la vision par ordinateur. La conception neuromorphique permet une fréquence d'acquisition beaucoup plus élevée, mais surtout des durées d'acquisition beaucoup plus longues. Ceci la rend idéale pour enregistrer les bifurcations dont le moment d'apparition est inconnu. Enfin, dans un écoulement de grand taille Von Karman (GVK) du SPEC, des mesures de vitesse 3D-PIV/PTV haute résolution ont été et seront réalisées dans la zone d'interaction entre la couche limite et les turbines, mais aussi au centre. Ceci devrait apporter un nouvel éclairage sur les structures dissipatives et les événements extrêmes potentiellement responsables de l'évolution à grande échelle de l'écoulement.

Ce projet s'inscrit dans un projet plus ambitieux visant à développer une stratégie d'identification des signaux précurseurs d'événements rares et/ou de bifurcations dans les écoulements turbulents. La première étape consiste donc à constituer une base de données de ce type d'événements (par simulation numérique et expérimentale).

Activités

Pour étudier expérimentalement les écoulements turbulents, l'équipe SPHYNX du SPEC s'appuie sur plusieurs décennies d'expérience et possède une expertise approfondie des écoulements tourbillonnaires de Von Karman avec des fluides allant de l'eau aux superfluides. Des techniques de mesure ont ainsi été développées au fil des ans et la recherche est menée à l'aide d'outils de diagnostic optique 3D de pointe.

Les activités comprendraient la dynamique des fluides expérimentale, la mise au point de modèles PTV 3D et la manipulation de lasers, le post-traitement des données, afin d'améliorer la mesure et la compréhension des petites échelles.

Compétences

La candidate ou Le candidat doit avoir obtenu un doctorat en mécanique des fluides ou dans un sujet lié.


- Mécanique des Fluides expérimentale
- Théorie de la turbulence
- 3D-PTV et Post-traitement de 3D-PTV
- Montage caméras et laser pour 3D-PTV
- Optimisation de la 3D-PTV pour la haute densité, grand grossissement optique
- Traitement du Signal
- Programmation orienté objet

Compétences linguistique : Capable d’écrire en Anglais, capacité de formuler et de travail dans un projet scientifique.

Capacité de travail dans une large équipe et dans une installation expérimentale de grande taille

Contexte de travail

Unité Mixte de Recherche (UMR 3680) du Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) et du Commissariat à l'Energie Atomique et aux Energies Alternatives (CEA), le SPEC mène une large gamme d'activités de recherche sur la matière condensée.

La personne recrutée sera affectée au groupe SPHYNX. Ses thématiques scientifiques couvrent un large éventail de domaines : matière active, turbulence et applications au climat, verre et dynamique lente, propriétés magnétiques et de fracture des solides désordonnés, fluides complexes, colloïdes, thermoélectricité et transfert de chaleur, matière active et objets biologiques… Le défi commun à tous ces systèmes est de comprendre comment une dynamique collective émerge à l’échelle macroscopique et peut être décrite par un nombre restreint de paramètres, sans avoir à prendre en compte tous les degrés de liberté microscopiques.

Au Sphynx, une équipe dédiée se spécialise dans l'étude des écoulements turbulents, dont la dynamique représente un défi majeur de la physique hors équilibre, avec des implications importantes pour les milieux industriels et naturels. Les recherches menées au Sphynx visent à caractériser les trajectoires énergétiques de ces écoulements turbulents, depuis les grandes échelles d'injection jusqu'aux minuscules structures dissipatives irrégulières. En nous concentrant sur les flux induits par la convection thermique, nous avons obtenu une observation sans ambiguïté du « régime ultime » de la convection thermique, à l'œuvre dans les flux géophysiques et astrophysiques. Nous avons développé une théorie du transport turbulent associé, fondée sur l'étude de modèles idéalisés de complexité croissante. Ces propriétés à grande échelle des écoulements turbulents sont intimement liées à la manière dont l'écoulement dissipe l'énergie à petite échelle : la turbulence induit des structures dissipatives intenses à très petite échelle, inaccessibles à la plupart des études expérimentales. Nous avons ainsi conçu une expérience de laboratoire, dite « Von Karman géant », qui offre une opportunité unique pour la caractérisation spatio-temporelle détaillée des structures dissipatives intermittentes à petite échelle de l'écoulement, en lien avec d'éventuelles singularités des équations d'Euler et de Navier-Stokes. Pour accéder aux structures dissipatives, nous développons deux méthodes de métrologie optique : une méthode innovante de spectroscopie des ondes diffuses permettant la mesure spatio-temporelle directe du taux de dissipation turbulente à la surface d’une paroi solide. De nouveaux algorithmes de post-traitement sont également développés pour la vélocimétrie par imagerie de particules (PIV) afin de mesurer des champs lagrangiens, eulériens et de pression 3D extrêmement denses et résolus dans le temps.



Cette activité est par nature multidisciplinaire et repose sur d'étroites collaborations avec d'autres domaines scientifiques, tels que les mathématiques appliquées ou la physique statistique. La mécanique des fluides est omniprésente dans les applications géophysiques et industrielles. Une meilleure compréhension des écoulements contribuera à relever les grands défis posés par les nouvelles contraintes énergétiques et environnementales. Des collaborations avec des experts en modélisation climatique, en géosciences et en développement des énergies renouvelables ont été mises en place pour répondre à ces enjeux sociétaux.

Contraintes et risques

Travail avec un laser de classe 4