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Sédimentation de microplastiques en turbulence (H/F)

Cette offre est disponible dans les langues suivantes :
- Français-- Anglais

Date Limite Candidature : lundi 15 avril 2024

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Informations générales

Intitulé de l'offre : Sédimentation de microplastiques en turbulence (H/F)
Référence : UMR5672-MICBOU-004
Nombre de Postes : 1
Lieu de travail : LYON 07
Date de publication : lundi 25 mars 2024
Type de contrat : CDD Scientifique
Durée du contrat : 24 mois
Date d'embauche prévue : 1 juillet 2024
Quotité de travail : Temps complet
Rémunération : à partir 2934€ bruts mensuels selon expérience
Niveau d'études souhaité : Niveau 8 - (Doctorat)
Expérience souhaitée : Indifférent
Section(s) CN : Milieux fluides et réactifs : transports, transferts, procédés de transformation

Missions

Le projet de recherche propose d’étudier expérimentalement la sédimentation de microparticules de plastique dans un écoulement turbulent.

Activités

Plusieurs million de tonnes de plastiques sont rejetées chaque année dans l’océan (Mercier et al. 2023), qui sont fractionnés jusqu’à des tailles de l’ordre du millimètre. Ces microparticules, appelées inertielles car elles n’ont pas même densité que le fluide, sont présentes en suspension dans l’océan au sein duquel elles sont transportées et dispersées par les courants locaux. Elles tendent par ailleurs à sédimenter lorsqu’elles sont plus denses que le fluide et l’on estime quelques pour cent la fraction des particules rejetées que l’on peut localiser. Si la turbulence joue un rôle prépondérant dans cette dispersion du fait de son caractère aléatoire, il reste difficile de prévoir comment sont transportées des microparticules de taille et de densité données. En effet, leur réponse aux fluctuations turbulentes dépend à la fois des caractéristiques des particules (taille, densité, vitesse de sédimentation) mais aussi de celles de l’écoulement (nombre de Reynolds, échelles de dissipation, amplitude de la vitesse). Il est par ailleurs difficile de prévoir la vitesse à laquelle les particules sédimentent et dans quelles zones car des particules plus denses que le fluide tendent à se regrouper en amas dans les zones de vitesse descendantes, ce qui augmente leur vitesse de sédimentation. Ce phénomène est mal connu et mal modélisé dans la pratique, en particulier lorsque les particules ne peuvent être supposées ponctuelles car elles sont plus grandes que l’échelle de dissipation de l’écoulement.

Afin de progresser sur ce problème, il faut donc pouvoir disposer de données expérimentales (ou numériques) de trajectoires de particules inertielles tout en ayant des informations sur l’écoulement fluide dans leur voisinage afin de comprendre où se regroupent les particules qui sédimentent et comment la turbulence modifie leur dispersion en présence de gravité et leur vitesse de sédimentation.
Le projet de recherche propose d’étudier la sédimentation de microparticules de plastique dans un écoulement turbulent modèle pour lequel la turbulence est créée par un ensemble de 16 pompes activées de manière aléatoires au bas d’une tour de 2 m contenant de l’eau (figure). Cette configuration, choisie pour aborder des problèmes de sédimentation, permet de créer un écoulement turbulent bien contrôlé pour lequel la turbulence est homogène dans les directions horizontales alors que le nombre de Reynolds décroît lentement avec la distance aux pompes. Le but du projet est de caractériser expérimentalement la dynamique des microparticules tout en ayant accès aux propriétés de l’écoulement dans leur voisinage. Pour cela, la mesure utilisera une technique de vélocimétrie par suivi de particules (3D-PTV) à deux couleurs permettant de suivre deux types de particules, dont l’une permet de d’accéder à l’écoulement fluide.

Le.la post-doctorat.e. participera à la mise en place de la technique expérimentale du suivi 3D des particules par 3D-PTV avec 3 caméras afin de caractériser la dynamique lagrangienne de particules sphériques de plastiques de différentes densités (par ex. polyacetal 1400 kg/m3, polyamide 1140 kg/m3) et de différentes diamètres (200 microns-5 mm), en fonction du nombre de Reynolds. Cette mesure sera faite dans un grand volume de mesure (7x7x7 cm3) afin d’obtenir des trajectoires suffisamment longues pour étudier la dispersion des particules. Ces données serviront à construire un modèle stochastique de la dynamique des particules (Viggiano et al., Laplace et al.).

Dans un second temps la thèse s’orientera vers le suivi de particules à deux couleurs pour étudier la dynamique jointe des particules inertielles et des traceurs de l’écoulement du fluide. La technique est similaire mais utilise une nappe laser épaisse (1x7x7 cm3) plutôt qu’un éclairage en volume de sorte que deux caméras suffisent pour suivre un grand nombre de particules en 3D. Cette technique utilise deux des caméras pour suivre les deux populations de particules alors que la troisième, qui possède un filtre coloré, ne suit que les particules fluorescentes et permet de discriminer les deux populations si elles ont une taille similaire. Cette technique développée récemment au laboratoire (thèse de B. Laplace, 2022) permet d’avoir accès à la vitesse des particules inertielles et de celle du fluide dans leur voisinage, ce qui est nécessaire pour comprendre les phénomènes de concentration préférentielle et comment la turbulence permet l’augmentation de la vitesse de sédimentation.

Au cours du post-doctorat : la base de données constituée sera analysée et comparée aux données numériques du groupe de Markus Uhlmann (KIT Karlsruhe), qui étudie le même problème à l’aide de simulations numériques directes pleinement résolues. De courts séjours en Allemagne financés à l’aide d’un programme de collaboration franco-allemand sont prévus.

References:
M. Mercier et al., Plastic litter in the oceans. Most of it has gone missing, but it might just be transformed and transported, Europhysics News, 2023.
B. Viggiano et al., Modeling Lagrangian velocity and acceleration in turbulent flows as an infinitely differentiable stochastic process, Journal of Fluid Mechanics, 2020.
B. Laplace et al., Suspension of Large inertial particles in a turbulent swirling flow. Physical Review Fluids, 8, 2023.

Compétences

le.la postdoctorant.e a soutenu des thèse expérimentale en dynamique des fluide, physique, ou ingénierie. Une expérience concernant le développement de techniques expérimentale, notamment de techniques de suivi de particules, sera particulièrement appréciée.

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.

Contraintes et risques

Aucuns