Département Mécanique-Energétique

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P. Le Quéré

Action transversale Thermoacoustique-cryogénie
Groupe Dynamique des Fluides et Turbulence
Groupe Dynamique des Transferts et Instabilités
Groupe Transferts Solide-Fluide

L'ambition et la volonté du département Mécanique-Energétique sont de contribuer à l'amélioration de la compréhension des phénomènes, isolés ou en interaction, et de leurs couplages, au développement de méthodologies expérimentales, numériques et théoriques permettant d'accroître les capacités prédictives, de façon à permettre une amélioration, une optimisation ou un contrôle des processus ou procédés dans lesquels ces phénomènes interviennent. Ce sont les problèmes concrets posés par nos partenaires industriels ou socio-économiques dans les secteurs de l'énergie, des transports ou de l'environnement qui suscitent et motivent ces travaux de recherche, qu'il s'agisse d'améliorer l'efficacité énergétique, de concevoir des systèmes plus propres, plus efficaces, plus sûrs... Par essence, ces problèmes concrets sont complexes, cette complexité étant d'ailleurs multiforme, qu'il s'agisse d'une complexité phénoménologique comme la turbulence, d'une complexité liée aux couplages de phénomènes élémentaires, de nature ou d'échelle différente, ou encore d'une complexité liée aux aspects géométriques, toutes ces complexités étant d'ailleurs en général intimement liées. Les recherches doivent donc procéder d'une synergie consistant en une modélisation plus pertinente, liée à des capacités d'expérimentation accrues (transitoire, inhomogène), en étroite relation avec des simulations numériques, le tout permettant optimisation et contrôle des processus et procédés, voire l'inversion totale de la chaîne de causalité, dont l'une des caractéristiques est l'élaboration de produits ou de systèmes remplissant une fonction ou un besoin exprimé. Au-delà de cette déclaration de politique générale, le département a poursuivi la réflexion sur l'effort de réorganisation qui avait présidé au renouvellement du laboratoire, et les journées du département qui se sont tenues les 22 et 23 novembre 2001 ont permis de faire le point sur les recherches en cours, de se livrer à une analyse collective approfondie de ses forces et faiblesses, d'élaborer une politique scientifique d'ensemble visant à affirmer et conforter ses pôles de compétence, à dégager des priorités en matière de recrutement tant chercheurs que personnels d'accompagnement de la recherche et de mettre en place des structures de groupe permettant une bonne lisibilité de l'activité scientifique de l'ensemble du département et un bon fonctionnement au quotidien. Cette réflexion, qui se déroule dans le cadre de réunions réunissant l'ensemble des chercheurs, enseignants-chercheurs et ingénieurs de recherche du département, a abouti à l'affirmation collective de la volonté de structurer les activités du département autour de 3 lignes directrices majeures~:

• l'amélioration des capacités prédictives d'écoulements turbulents, en particulier par simulation des grandes échelles, par la mise en synergie d'approches expérimentale, numérique et de modélisation,
• la poursuite de l'étude des instabilités thermo-hydrodynamiques et leur application au contrôle des écoulements et des transferts,
• la compréhension, la caractérisation et l'optimisation des transferts de chaleur et de masse entre un solide et un fluide.

Ce sont ces lignes directrices qui sous-tendent la nouvelle structuration en groupe qui a été adoptée lors du renouvellement du laboratoire,

• un groupe Dynamique des Fluides et Turbulence, sous la responsabilité de J.L. Guermond,
• un groupe Dynamique des Transferts et Instabilités, sous la responsabilité de L. Tuckerman,
• un groupe Transferts Solide-Fluide, sous la responsabilité de M. Pons.

• la simulation numérique d'écoulements turbulents par simulation des grandes échelles. L'activité se concentre ici sur l'amélioration de la qualité de l'approximation numérique, sur l'amélioration des modèles de sous-maille, et sur la validation des algorithmes de simulation par rapport à des cas test documentés. Les derniers efforts ont porté sur l'étude systématique de quelques schémas sur des cas difficiles mais dont on peut espérer approcher la solution exacte (ou tout au moins une de ses réalisations) ainsi que sur le développement de méthodes d'approximation multiéchelles originales dans un contexte d'approximation par éléments finis. Une part de cette validation est faite en interne, par comparaison avec des données obtenues sur un montage expérimental consistant en un écoulement d'interaction couche limite encoche à nombre de Reynolds modéré, le champ de vitesse étant déterminé par PIV. L'objectif est de vérifier que l'une des hypothèses fondamentales qui sous-tend la SGE, à savoir le fait que l'outil numérique reproduit correctement les échelles de taille supérieure à la fréquence de coupure est bien vérifiée. On notera que l'activité expérimentale en PIV fait elle-même l'objet de développements méthodologiques, en particulier en relation avec les techniques de déformation d'image. Ceci est particulièrement important car il est essentiel de qualifier la capacité de la SGE à restituer la cascade d'échelles présentes au sein d'un écoulement turbulent. De ce point de vue, on doit se poser la question de savoir quelle est la bonne ;SPMquot;norme;SPMquot; pour comparer une réalisation turbulente expérimentale et une réalisation numérique d'un écoulement turbulent. La comparaison point à point étant évidemment exclue, des classifications statistiques s'imposent et on peut penser que les techniques d'extraction par P.O.D. de la hiérarchie des grosses structures énergétiques présentes dans l'écoulement peuvent constituer une base valide de comparaison. Cet axe sera développé dans l'avenir.
• la poursuite du développement de méthodologie pour comprendre les conditions dans lesquelles certaines classes d'écoulements deviennent instables. Cette activité, longtemps effectuée par intégration des équations instationnaires, a notablement progressé ces dernières années, avec le développement d'un ensemble de méthodes alliant calcul de solutions stationnaires, même instables, recherche des éléments vedette du jacobien, et intégration sous forme perturbative des équations linéarisées ou non-linéaires. Cet ensemble d'outils a permis d'effectuer des progrès considérables dans le compréhension des instabilités hydrodynamiques de certaines classes d'écoulements, principalement confinés, comme les écoulements de convection thermique ou thermo solutale ou capillaire ainsi que les écoulements interdisques. Un des objectifs est de continuer à faire progresser ces méthodes, en particulier en amplifiant l'effort du côté tridimensionnel. Par ailleurs, on souhaite mettre ces développements en perspective pour le contrôle, en particulier en proposant une alternative complémentaire à la POD consistant, pour des écoulements transitionnnels, à réduire la dynamique de l'écoulement à l'aide d'un système différentiel de bas ordre, par développement sur la base des modes propres du jacobien des équations de Navier-Stokes, ce qui suppose de pouvoir disposer des modes de l'adjoint du jacobien.

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