Missions

Ce projet vise à mener une étude expérimentale approfondie de l'influence de la turbulence environnante sur les instabilités aérodynamique pouvant affecter des structures pendulaires. L'étude portera à la fois sur des systèmes modèles tel qu'un pendule simple placés dans une soufflerie, mais également sur des géométries réalistes en vue d'application notamment au transport par câble.

Activités

Le pendule simple reste l'un des systèmes les plus fondamentaux étudiés en physique. L'oscillateur harmonique est en effet couramment utilisé comme modèle pour illustrer une grande variété de mécanismes dans toutes les branches de la physique. Cependant, malgré cette popularité, des comportements subtils restent à découvrir et à explorer lorsqu'un pendule est fortement couplé à la mécanique des fluides. Dans un précédent travail (Obligado et al., Journal of Fluid Mechanics (2013)), nous avons par exemple montré que l'équilibre d'un disque pendulaire face à un écoulement présente une bi-stabilité et une hystérésis. Ce comportement particulier résulte des spécificités du couplage aérodynamique du pendule (via les forces de traînée et de portance) avec l'écoulement environnant, tout en faisant du pendule un modèle générique simple pour les phénomènes stochastiques bi-stables. Dans cet esprit, nous avons par exemple montré que des transitions spontanées peuvent se produire entre les branches multi-stables, qui relient les statistiques d'événements extrêmes universels à la dynamique du sillage du pendule (Gayout et al., Phys. Rev. Lett. (2021)).
Le présent projet vise à explorer plus avant le rôle de la turbulence environnante sur la dynamique et la multi-stabilité du pendule dans le vent. La turbulence peut en effet avoir des effets ambivalents : d'une part, elle peut amplifier les fluctuations du pendule (favorisant ainsi la transition d'un puits de potentiel stable à l'autre) et, d'autre part, elle peut modifier radicalement le paysage énergétique global du système multi-stable et éventuellement supprimer la multi-stabilité. A cette fin, des expériences seront menées dans la soufflerie du Laboratoire de Physique de l'ENS de Lyon qui a été récemment équipée d'une grille active, permettant d'ajuster l'intensité de la turbulence. Il s'agira dans un premier temps d'explorer la dynamique angulaire du pendule tout en variant systématiquement l'intensité de la turbulence, dans le but d'élucider l'impact des fluctuations turbulentes sur la dynamique du pendule dans chacune des branches stables ainsi que la modification du comportement hystérétique. Cette investigation sera alors complétée par un diagnostic par imagerie à haute vitesse de la dynamique de l'écoulement (en particulier le sillage du pendule), grâce à la PIV résolue en temps et au Lagrangian Partilce Tracking, afin de rechercher des signatures aérodynamiques du comportement du pendule. La polyvalence de la grille active permettra également d'explorer de nouveaux phénomènes, comme par exemple le rôle de la modulation spatiale et temporelle de la turbulence sur la dynamique du pendule et la multi-stabilité, qui peut conduire à des instabilités lorsque les fréquences de l'écoulement se synchronisent avec le pendule.
Au-delà des aspects fondamentaux de ces études où le pendule est considéré comme un système stochastique multi-stable forcé par un bruit corrélé complexe (turbulence), les résultats de ce travail sont d'une grande pertinence pratique pour les systèmes pendulaires aérodynamiques, tels que les systèmes urbains et les systèmes de transport.

Compétences

La/Le candidat doit avoir des connaissances solides en mécanique des fluides et aérodynamiques, ainsi que la maîtrise de métrologies telles que la PIV ou la PTV.

Contexte de travail

Le travail se déroulera au sein du laboratoire de physique de l'Ecole Normale Supérieure de Lyon (LPENSL). Ce groupe comprend à la fois des expérimentateurs de la turbulence, des théoriciens et des numériciens. Cette complémentarité des approches est généralement très fructueuse.
De plus, le LPENSL est un laboratoire de physique générale, avec de nombreuses compétences.
Ce projet spécifique fait partie d'une collaboration plus large financée par l'ANR, incluant le laboratoire PPrime (Poitiers), le LHEEA (Nantes), le CSTB et 3 partenaires de l'industrie des téléphériques (POMA, MND et Dopplemayr).

Contraintes et risques

Aucun