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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 :

P. Freydier (PostDoc), G. Gerardi (Thèse), A. Salvador (Thèse), N. Sgreva (Thèse), M. Zhou (Visiteur)

Membres précédents :

D. Brand (Thèse, 2016), M. Dey (PostDoc, 2015), V. Janecek (PostDoc, 2013), N. Kofman (Thèse, 2014), A. Massmeyer (Thèse, 2013), C. Ruyer-Quil (MCF UPMC, 2013), A. Sibrant (PostDoc, 2017), E. Sultan (MCF, 2016), B. Xu (Thèse, 2016)


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.

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,...).

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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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).

V. Janecek et al. J. Colloid Interface Sci. 460, (2015)
doi:10.1016/j.jcis.2015.08.062

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Climatologie et vermiculation dans les grottes

F. Doumenc, B. Guerrier, J.-P. Hulin, J. Martin, S. Mergui
Collaborations : P.Y. Jeannin (ISSKA, Suisse), D. Lafon (C2MA, Ecole des Mines Alès), Y. Moënne-Loccoz (Lab. d’Ecologie Microbienne, Univ. Lyon I)

Les grottes sont souvent des milieux très humides où de faibles   variations de température peuvent induire localement sur les parois des phénomènes d'évaporation ou de condensation. Un phénomène fréquemment observé dans les milieux souterrains est la formation spontanée d'agrégats constitués de matériaux initialement présents sur les parois (argiles, calcite, matière organique...). Ce phénomène naturel, appelé vermiculation, inexpliqué à ce jour, est illustré sur la figure ci-contre. Il peut devenir un enjeu important pour la conservation des grottes ornées de peintures pariétales. Nous nous intéressons au couplage entre climatologie, formation de films aqueux et cohésion des matériaux sédimentaires recouvrant les parois.

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).

Instabilités 3D d'un film tombant

N. Kofman, S. Mergui, C. Ruyer-Quil

Un film liquide tombant sur un plan incliné se déstabilise pour former une onde solitaire composée d'une onde principale précédée de petites ondes capillaires. Ces ondes capillaires se déstabilisent à leur tour pour générer des motifs tridimensionnels. Les conditions d'apparition de ces instabilités 3D sont étudiées expérimentalement grâce à des cartes d'épaisseur de film obtenues par une méthode optique de type Schlieren.

J. of Fluid Mechanics, 757, (2014), doi: 10.1017/jfm.2014.506

Convection de Rayleigh-Bénard-Marangoni induite par séchage d'un film plan

F. Doumenc, B. Guerrier
Collaborations : T. Boeck (Univ. Ilmenau, Allemagne), E. Chenier (MSME, Univ. Paris Est), C. Delcarte (LIMSI, CNRS), M. Rossi (IJLRA, UPMC), B.Trouette (MSME, Univ. Paris Est), S.G. Yiantsios (Univ. Thessanoliki, Grèce)

Lors du séchage d'une solution polymère, l'évaporation du solvant induit un enrichissement en polymère et une baisse de température en surface qui peuvent conduire à une situation hydrodynamiquement instable (Rayleigh-Bénard-Marangoni, thermique ou solutal). Des études théoriques et numériques sont développées pour analyser le rôle respectif des différents mécanismes sur la déstabilisation du système. La simulation numérique ci-contre illustre l'évolution du champ de viscosité au cours du séchage.

S.G. Yiortsios, S.K. Serpetsi, F.Doumenc, B.Guerrier IJHMT 89, (2015)
doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2015.06.015

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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.

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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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)
ANR EVAPEC

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).

F. Doumenc et al. Langmuir 32, (2016)
doi: 10.1021/acs.langmuir.6b02282

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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)

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.