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Convection et transferts

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Nombreux sont les processus qui couplent écoulements et transferts de chaleur ou de matière, que ce soit à l'échelle de la convection dans le cœur d'une planète ou à l'échelle d'un film mince en interaction avec le gaz environnant. La compréhension de ces couplages est au centre des activités de la thématique.

Une partie des recherches est orientée vers l'étude de phénomènes naturels, citons par exemple la dynamique interne de Venus et de la Terre, les transferts dans les champs océaniques hydrothermaux, ou la climatologie des cavités souterraines. D'autres actions ont pour objectif la compréhension de phénomènes intervenant dans des processus industriels, comme les instabilités se développant sur un film tombant en interaction avec un gaz ou bien la qualité du revêtement obtenu par séchage d'une dispersion de petites particules.

La démarche retenue est le choix de systèmes modèles bien caractérisés qui permettent le développement de modèles physiques et de montages expérimentaux au laboratoire pour mieux comprendre les différents mécanismes mis en jeu.



Membres permanents :

A. Davaille, G. Dietze, F. Doumenc, B. Guerrier, G. Kasperski, J. Martin, S. Mergui, N. Ribe

Membres non-permanents :

M. Ishimura (Thèse), N. Sgreva (Thèse)

Membres précédents :

D. Brand (Thèse, 2016), M. Dey (PostDoc, 2015), P. Freydier (PostDoc, 2019), G. Gerardi (Thèse, 2018), N. Kofman (Thèse, 2014), Y. Li (PostDoc, 2018), A. Salvador (Thèse, 2018), A. Sibrant (PostDoc, 2017), E. Sultan (MCF, 2016), B. Xu (Thèse, 2016), M. Zhou (Visiteur, 2019)


Ecoulements diffus dans les sources hydrothermales océaniques

E. Mittelstaedt, A. Davaille
Collaborations : J. Escartin (IPGP), F. Moisy

ANR PTECTO

Nous avons développé une nouvelle méthode de mesures des champs de vitesse au fond des océans basée sur le background-oriented shlieren et l'analyse d'images video du plancher océanique. Particulièrement adaptée aux écoulements "diffus" sortant des fractures autour des sources hydrothermales, elle nous a permis de montrer que les circulations liées aux fractures surpassaient celles des fumeurs et dominaient sans doute le bilan de flux de chaleur des champs hydrothermaux.

Déposition de film minces par procédés d'enduction de type dip-coating

M. Dey, F. Doumenc, B. Guerrier
Collaborations: J. Leng, C. Loussert, J.B. Salmon (LOF, CNRS)

Lors de la formation de dépôts de particules ou de macromolécules à partir de l'évaporation d'un solvant, des phénomènes complexes apparaissent au voisinage de la ligne triple où le flux d'évaporation est maximal. Nous nous intéressons au couplage entre hydrodynamique et évaporation, lequel peut entraîner une auto-structuration du dépôt comme illustré sur l'image ci-contre (suspension colloïdale de silice; hauteur du dépôt ∼ 1 µm; longueur d'onde ∼ 100µm).

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Modélisation et simulation numérique de l'évaporation au voisinage d'une ligne triple

F. Doumenc, B. Guerrier, V. Janecek
Collaborations : V. Nikolayev (SPEC/SPHYNX, CEA)

L’évaporation au voisinage d’une ligne de contact ou d’un ménisque est un phénomène qui intervient dans de nombreux processus (nucléation de bulles, procédés d’enduction, caloducs etc.) Nous nous intéressons au développement de modèles et outils numériques permettant de décrire le comportement hydrodynamique et les transferts dans ces processus, en tenant compte des différentes échelles mises en jeu, pour des configurations de mouillage total ou partiel (cf. figure ci-contre).

F. Doumenc et al. Eur. Phys. J. E 41, (2018)
doi:10.1140/epje/i2018-11758-8

Instabilités thermiques dans les fluides à seuil

A. Massmeyer, A. Davaille, E. Digiuseppe, B. Gueslin
Collaborations : T. Rolf, P. Tackley (ETH Zurich)

ITN Marie Curie CRYSTAL2PLATE, ANR PTECTO

Nous étudions les conditions d'existence et la morphologie des instabilités générées par une source ponctuelle de chaleur dans le carbopol, un fluide à seuil. La morphologie en doigt (à gauche de la figure) est radicalement différente de la morphologie en champignon des panaches observés dans les fluides newtoniens. Elle est due à la forte localisation de la déformation sur le pourtour de l'instabilité (à droite).

Des suspensions colloidales à la Tectonique des Plaques: Rhéologie, localisation de la déformation et convection lors du séchage de fluides complexes

E. Digiuseppe, A. Davaille, . 
Collaborations : M. François, F. Doumenc, L. Pauchard, V. Lazarus, B. Guerrier, G. Gauthier

ITN Marie Curie CRYSTAL2PLATE, ANR PTECTO

Lors du séchage d'une suspension colloidale, l'évaporation du solvant induit un enrichissement en particules et une modification du contenu ionique, ce qui influence fortement la rhéologie. En conséquence, sont observées des bandes de cisaillements, des fractures, ou encore la génération épisodiques de bulles. En couche épaisse, une peau se forme à la surface et des mouvements de convection se développent. En fonction de la rhéologie de la peau, plusieurs régimes sont observés. Ceux-ci présentent de grandes similarités avec les planètes (subduction et tectonique des plaques sur Terre, renouvellement épisodique de la surface sur Venus,...).

Dynamique de la subduction libre

N. Ribe
Collaboration : Z. Li (Académie Chinoise des Sciences )

La subduction, ou la plongée de la lithosphère océanique dense dans le manteau terrestre, représente un des composants majeurs de la tectonique des plaques. Nous construisons des modèles tridimensionnels de l’écoulement associé à  la subduction afin de mieux comprendre les facteurs physiques qui contrôlent les morphologies très variées des plaques subduites vues par la tomographie sismique, avec l’accent sur l’interaction des plaques avec le changement de phase à 660 km de profondeur. L’image montre trois morphologies de plaque possibles selon le rapport de la viscosité de la plaque même et celle du manteau environnant.

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Mécanique des polycristaux et écoulement convectif dans le manteau terrestre

N. Ribe
Collaborations : O. Castelnau (Arts et Métiers Paris Tech), R. Hielscher (Tech. Univ. Chemnitz, Allemagne)

Lorsque les roches du manteau terrestre se déforment, les cristaux qui les composent présentent une distribution non-aléatoire d’orientations (CPO en anglais) que l’on peut détecter avec des ondes sismiques. Afin de pouvoir interpréter une CPO en termes d’écoulement convectif, nous développons une théorie de la mécanique des polycristaux qui serait capable de prédire la rotation des cristaux due à  une déformation. L’image est une lame mince d’une roche du manteau sous une lumière polarisée.

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Thermique des massifs karstiques

F. Doumenc, B. Guerrier, S. Mergui
Collaborations : P.Y. Jeannin (ISSKA, Suisse)

Les massifs karstiques sont des structures géologiques complexes, comprenant généralement un réseau de rivières souterraines, de grottes et de conduits. Ces cavités souterraines sont un écosystème fragile dans lequel les processus biogéochimiques dépendent fortement de la température. Il est donc important de pouvoir déterminer l'évolution spatiale et temporelle du champ de température en fonction de la structure du massif et des conditions climatiques extérieures. La figure ci-contre est une simulation numérique illustrant à un instant donné la perturbation thermique induite dans un massif par la présence d'une cavité peu profonde (environ une dizaine de mètres sous la surface).

B. Guerrier et al. Int. J. Therm. Sci. 146, (2019)
doi:10.1016/j.ijthermalsci.2019.106066

Cisaillement d'un film tombant par un contre-écoulement d'air

N. Kofman, S. Mergui, G. Dietze
Collaborations : C. Ruyer-Quil (LOCIE)

La dynamique des ondes se développant à la surface d'un film liquide tombant est modifiée lorsqu'un contre-écoulement de gaz est imposé à l'interface. Nous analysons expérimentalement le comportement du film soumis à des vitesses de gaz croissante. Nous recherchons les conditions pour lesquelles le train d'ondes rebrousse chemin avant d'être détruit, situation désignée comme étant l'engorgement de notre système. La photo ci-contre illustre un cas pour lequel l'écoulement de gaz génère des structures 3D localisées de grande amplitude et rapides empêchant l'apparition de l'engorgement.

Dynamique d'un film tombant tridimensionnel

G. Dietze

Collaborations : B. Scheid (ULB, Bruxelles), W. Rohlfs et Reinhold Kneer (RWTH Aachen)

Les ondes tridimensionnelles sur la surface libre d'un film liquide tombant intensifient le transport convectif dans les phases avoisinantes, influant ainsi sur l'efficacité de procédés multiphasiques comme la distillation. Ici, nous étudions par simulation numérique (méthode VOF-CSF) l'effet des ondes sur le champ de vitesse et vice versa.

G. F. Dietze, W. Rohlfs, K. Nährich, R. Kneer et B. Scheid J. Fluid Mech. 743, 75 (2014)

Convection thermique lorsque la viscosité dépend fortement de la température: du laboratoire aux planètes

S. Androvandi, J. Vatteville, F. Touitou, A. Davaille
Collaborations : A. Limare, G. Brandeis (IPGP), I. Kumagai (Meisei Univ., Japan), P. van Keken (Univ. Michigan, USA)

ANR PTECTO

La forte variation de la viscosité en fonction de la température introduit une asymétrie entre les couches limites ("CL") froides, plus visqueuses, et les CL chaudes. Différents régimes de convection sont alors observés, résultant des interactions entre CL. A faible nombre de Rayleigh, la convection demeure cellulaire (figure du haut) alors qu'à haut nombre de Rayleigh, plusieurs échelles de convection se superposent (figure du bas). Ceci pourrait e partie expliquer la répartition du volcanisme intraplaque sur Terre.

Transport scalaire au sein d'un film liquide tombant

G. Dietze

Collaborations : C. Ruyer-Quil (USMB, Chambéry), M. Ishimura et S. Mergui (FAST)

Dans le cadre du projet ANR wavyFILM, nous étudions l'écoulement d'un film liquide tombant produisant des ondes de surface solitaires en raison d'une instabilité interfaciale. Les corrugations pariétales permettent d'intensifier le transport convectif au sein de ces ondes et ainsi d'augmenter le transfert de chaleur/masse à travers l'interface gaz-liquide. Les simulations numériques ci-contre, réalisées avec le code Gerris, montrent l'effet de différents types de corrugation sur le champ d'un scalaire passif transporté au sein du liquide par une équation de convection-diffusion. Le nombre de Péclet étant grand, le transport est dominé par la convection. Les corrugations augmentent de 30% le coefficient d'échange moyen.

G. F. Dietze J. Fluid Mech. 859, 1098 (2019)

Vermiculation dans les grottes

F. Doumenc, P. Freydier, B. Guerrier, J.-P. Hulin, J. Martin, S. Mergui
Collaborations : P.Y. Jeannin (ISSKA, Suisse), Y. Moënne-Loccoz (Lab. d’Ecologie Microbienne, Univ. Lyon I)

La photo ci-contre représente la paroi rocheuse d'une grotte, sur laquelle apparaissent des vermiculations (en forme de vers, en noir sur la photo). Il s'agit d'un phénomène fréquemment observé dans les milieux souterrains et qui correspond à la formation spontanée d'agrégats de matériaux initialement présents sur les parois (argiles, calcite, matière organique...). Ce phénomène devient très problématique s'il survient dans une grotte ornée car il peut endommager les peintures pariétales en déplaçant des pigments. Les études développées ont pour but de comprendre les mécanismes à l'origine de la perte de cohésion du matériau sur la paroi, dans l'objectif d'améliorer les méthodes de conservation des grottes ornées.

P. Freydier et al. Rheologica Acta 58, (2019)
doi:10.1007/s00397-019-01167-7