DÉPARTEMENT MÉCANIQUE-ENERGÉTIQUE________________________________
DÉPARTEMENT MÉCANIQUE-ENERGÉTIQUE________________________________
Groupe Dynamique des Fluides
Groupe Dynamique des Transferts
Groupe Energétique
Les années 1994 et 1995 ont été marquées, pour le Département Mécanique-Energétique, par la concrétisation de l'intégration du Laboratoire Thermodynamique des Fluides, et par l'arrivée de plusieurs jeunes chercheurs et Enseignants-Chercheurs, Laurette Tuckerman et Guoming Zhong, recrutés sur des postes CR1, et E. Gadoin et C. Weisman en tant que Maîtres de Conférences de l'Université Pierre et Marie Curie. Nous avons également eu le plaisir de recruter R. Brageu au sein de la Cellule Informatique Graphique en remplacement du départ à la retraite de J.P. Delage. Signalons également que F. Meunier a été nommé Professeur sur une chaire au CNAM, que O. Daube vient de prendre un poste de Professeur à l'Université d'Evry en septembre 1995 et que T.S. Luu vient d'être admis à faire valoir ses droits à la retraite.
En ce qui concerne l'intégration du LTF, rappelons que nous avions été sollicités par l'Université Pierre et Marie Curie, et notamment par l'UFR de Mécanique, pour intégrer l'équipe de Thermodynamique des Fluides, sous la direction du Pr. M.X. François, implantée dans le bâtiment 502 Ter qui jouxte le bâtiment 508. Les discussions préliminaires qui avaient eu lieu en 1993 avaient permis de dégager deux thèmes d'accrochage scientifique, l'un autour de la thermo-acoustique pour la réfrigération, l'autre autour des échanges diphasiques. Il avait été alors décidé que le LTF fusionnerait avec le groupe Adsorption pour former un groupe Energétique, sous la responsabilité de F. Meunier. Un exposé des motifs justifiant l'intérêt de cette intégration et présentant ses bases scientifiques avait été présenté au précédent comité scientifique du LIMSI, en Mai 1994, qui s'était déclaré favorable à cette opération. La section 10 du Comité national, lors de sa session d'automne 1994, avait exprimé le vif souhait que cette intégration ne reste pas une simple juxtaposition, mais qu'elle donne lieu à une véritable collaboration sur des objectifs scientifiques communs. Telle était évidemment notre conception de cette intégration. Près de deux ans plus tard, il n'est pas exagéré de dire que cet objectif est d'ores et déjà partiellement atteint, même s'il est encore possible de mieux faire. Un groupe de travail sur la thermoacoustique, animé par C. Tenaud, fait collaborer les chercheurs du LTF et des chercheurs du LIMSI. Ce thème a d'ailleurs bénéficié d'un apport important sous la forme d'une bourse MESR du DEA DFT, attribuée à J.V. Lubiez. En ce qui concerne le thème échanges diphasiques, il est pour l'instant mis partiellement en sommeil, en raison de difficultés passagères. Signalons encore que la convention réactualisant les liens entre le LIMSI et Paris VI a finalement été signée avec prise d'effet au 1/12/95, date effective de l'intégration du LTF au LIMSI. Sur le plan logistique, il a été mis en place une comission "502Bis", animée par J.B. Chalfen, pour prendre en charge l'ensemble des problèmes liés à l'état de ce bâtiment (travaux, ménage, occupation, modalités de gestion,..), comprenant les problèmes à court terme mais considérés dans une politique à plus long terme.
Suite à l'intégration du LTF, le Département est donc actuellement structuré en trois groupes ;
-un groupe ynamique des fluides, sous la responsabilité de Ta Phuoc Loc, regroupant un ensemble d'études à finalité aérodynamique, écoulements autour de profils et dans des cascades d'aubes, méthodes inverses en turbomachines,
-un groupe Dynamique des Transferts, sous la responsabilité de P. Le Quéré, centré sur l'étude de l'influence des mouvements convectifs sur les transferts de chaleur et de masse (instabilités, chaos, systèmes couplés,..),
-un groupe Energétique, sous la responsabilité de F. Meunier, caractérisé par un spectre d'études allant de la physico-chimie de l'adsorption à sa mise en oeuvre dans des procédés de réfrigération, avec les études sur la thermo-acoustique...
Un certain nombre de groupes de travail horizontaux ont été mis en place dans le but d'éviter un cloisonnement dû à la structuration en groupes et pour faciliter les discussions et échanges thématiques. Ainsi, L. Tuckerman anime un groupe "Instabilités", C. Tenaud un groupe "Thermoacoustique" et un groupe "Turbulence", J.L. Guermond un groupe "Méthodes numériques".
Les activités scientifiques du Département vont de la Mécanique des Fluides au Génie des Procédés en passant par la Thermique, ce qui couvre donc une large partie du spectre scientifique de la section 10 du Comité National, compte tenu de l'effectif relativement réduit du Département. Cette activité est donc structurée autour de quelques thèmes forts, sur lesquels le Département est reconnu nationalement et internationalement :
-méthodes numériques pour la résolution d'équations aux dérivées partielles, couplées
-méthodes inverses en turbomachines
-écoulements externes fortement décollés en régime instationnaire
-instabilités des écoulements thermo-convectifs et capillaires en cavités
-écoulements interdisques ; instabilités et chaos
-simulation des transferts couplés en situation réelle
-étude de la cinétique de diffusion et modélisation des colonnes
-conception de procédés propres utilisant l'adsorption (réfrigération,..)
-thermoacoustique pour la réfrigération.
L'ensemble des études effectuées dans le Département sont présentées par les responsables de groupes et par leurs auteurs dans les doubles pages correspondantes.
De façon générale, l'ensemble des études se range dans deux catégories : d'une part, les études à caractère méthodologique visant à l'amélioration des outils de modélisation et de simulation, tant du point de vue numérique qu'expérimental et d'autre part les études de phénomènes physiques et de la mécanique des fluides et des transferts au sens large.
L'activité des groupes "Dynamique des Fluides" et "Dynamique des Transferts" faisant essentiellement appel à la résolution et à la simulation des équations aux dérivées partielles décrivant les phénomènes étudiés, il est clair que, à une époque ou de multiples logiciels commerciaux sont disponibles et utilisables par tout un chacun, la qualité des outils numériques conditionne en grande partie la qualité des investigations effectuées et des résultats obtenus, en particulier lorsqu'il s'agit de problèmes relativement académiques. Il est donc clair que l'amélioration, le perfectionnement, le développement d'outils numériques toujours plus efficaces et performants constitue une partie non négligeable de l'activité de ces groupes. Ces deux dernières années, les efforts ont principalement porté sur l'analyse et le développement de méthodes de projection efficaces et précises au second ordre en temps (J.L. Guermond), ainsi que sur le développement d'une nouvelle méthode de projection-diffusion (A. Batoul et G. Labrosse, en collaboration avec le Lab. de Modélisation en Mécanique de l'Université Paul Sabatier de Toulouse) pour l'intégration des équations de Navier-Stokes par méthodes spectrales de collocation. De même, des progrès importants ont été réalisés dans les méthodes de résolution des équations de Navier-Stokes en formulation vitesse-tourbillon (Ta Phuoc Loc, O. Daube J.L. Guermond, en collaboration avec L. Quartapelle), à la fois sur le plan de la formulation mais également du point de vue de la mise en oeuvre pratique. Cette formulation trouve un terrain d'application priviligié dans l'étude des écoulements externes, en raison de la facilité d'imposition de conditions aux limites naturelles. C. Tenaud a élargi le champ d'application des techniques d'intégration des écoulements compressibles aux fluides avec thermodynamique complexe, dans le cadre d'une collaboration avec le LIMHP de Paris XIII, dans le but d'étudier la dynamique de la détente de jets de fluides au voisinage du point critique. Signalons enfin que nous avons résolument décidé de nous tourner vers le parallélisme, pour profiter des augmentations de puissance que cette technique laisse entrevoir dans un avenir proche. Nous avons ainsi parallélisé certains de nos algorithmes classiques mono-domaines en utilisant des techniques de décomposition de Schur. Nous avons également développé de nouvelles méthodes de projection basées sur une projection locale, et dans laquelle l'étape de projection est donc totalement parallèle, ce qui présente une avancée certaine. Des techniques de décomposition de Schur ou de condensation statique ont également été mises en oeuvre en adsorption et se sont avérées très efficaces pour la résolution des équations couplées gouvernant les échanges à des échelles spatiales différentes.
En ce qui concerne la simulation des écoulements et des transferts, nos efforts ont porté sur le développement de modèles de sous-maille, en collaboration avec l'ONERA, pour la résolution des écoulements externes fortement décollés en régime turbulent instationnaire. Ces techniques sont appliquées en régime incompressible et compressible, et également pour la simulation des écoulements visqueux incompressibles dans des grilles d'aubes. Les nombreux tests et comparaisons effectués ont montré l'excellent comportement de ce modèle de sous-maille, ce qui ouvre la voie à de nombreuses études à des nombres de Reynolds élevés. Les méthodes inverses de type S1/S2 ont été appliquées à l'optimisation de la turbine d'un convertisseur de couple. Nous avons entrepris, dans la suite des simulations d'écoulements de convection naturelle en cavité en régime chaotique qui avaient été réalisées, d'effectuer des simulations des régimes d'écoulement chaotiques en cavités inter-disques de type rotor-stator. Ces études sont accompagnées par des études centrées plus précisément sur l'apparition des premières instabilités et l'étude des routes vers le chaos. L'arrivée de Laurette Tuckerman a permis de renforcer notablement cette thématique. Les techniques spécifiques qu'elle a développées pour calculer directement les états stationnaires et étudier leur stabilité ont été appliquées avec succès à quelques uns des écoulements traditionnellement étudiés dans le département, écoulement de convection thermo-capillaire et thermo-solutale, écoulement de convection thermique, écoulements interdisques. Signalons enfin une première, à savoir la détermination de la transition à l'instationnarité de l'écoulement de convection naturelle d'air en cavité tri-dimensionnelle à parois latérales adiabatiques. Le thème milieux poreux a atteint son régime de croisière, avec trois études, l'une sur la caractérisation des effets non-linéaires, où des résultats intéressants ont été obtenus, une autre sur les effets dynamiques et thermiques de la propagation d'ondes sonores en milieux poreux, et la dernière sur la caractérisation de la perte de stabilité d'écoulements de convection naturelle dans des cavités remplies de bi-couches fluides-poreux. Il faut signaler le développement d'un montage expérimental, soutenu par une action incitative du laboratoire, pour caractériser les effets non-linéaires et l'anisotropie dans des écoulements à travers des treillis de cylindres.
En ce qui concerne le groupe Energétique, les efforts méthodologiques sur le plan expérimental ont porté sur le développement d'une technique de modulation de volume pour la détermination des coefficients de cinétique de diffusion ainsi que sur des techniques de mesure des isothermes de co-adsorption. Ces compétences sont exploitées dans les simulations avancées de dynamiques de colonnes d'adsorption et les applications concernent la réfrigération d'une part, mais également les procédés propres liés à la chaîne des hydrocarbures ou à la capture de solvants. Le groupe s'intéresse également à l'évaluation et aux limites de la thermoacoustique pour la réfrigération avec le soutien d'une action incitative du laboratoire et d'un programme ECOTECH. Un montage expérimental est actuellement opérationnel, importé par l'équipe du Pr Guo. Le groupe s'intéresse également depuis peu aux membranes, avec le soutien d'une action incitative, et l'ensemble de ses compétences le met donc en bonne position pour aborder l'étude de procédés propres liés à la protection de l'environnement.
L'ensemble de ces travaux s'est concrétisé par diverses publications : 2 Habilitations, celle de J.L. Guermond et celle de C. Dang Vu, ont été soutenues en 1995, ainsi que 7 thèses au total en 1994-1995. La production d'articles et de communications dans des colloques internationaux a légèrement fléchi en 1995 par rapport à 1994 et un effort sera fait, de façon générale, pour augmenter le volume de nos publications, en particulier celles dans des revues à comité de lecture.
Les thématiques que le Département souhaite développer et renforcer au cours des années à venir concernent les simulations d'écoulements en régime instationnaire turbulent par simulations directes et par simulations des grandes échelles. Il s'agit d'un thème qui correspond parfaitement à une partie de notre savoir faire en matière de simulation numérique d'écoulements, et dont les applications concernent l'aéronautique, la dispersion atmosphérique ainsi que les écoulements et les transferts en milieux confinés. Nous présentons notamment un candidat à l'entrée au CNRS sur ce thème, I. Calmet, chercheur ayant fait son stage de DEA au LIMSI et sa thèse à l'IMFT. I. Calmet prendrait en charge le développement des SGS appliquées aux écoulements et transferts en milieux confinés. Nous comptons également poursuivre et renforcer le thème instabilités, transition et routes vers le chaos, en le colorant de ce qui est notre spécificité, à savoir l'étude d'instabilités d'écoulements complexes et des transferts associés, ce qui nécessite de développer des techniques numériques spécifiques. Ces études doivent trouver un prolongement intéressant dans l'étude des instabilités des interfaces liquide-vapeur avec changement de phase, sujet lié à la maîtrise de l'ébullition en film. Des développements prometteurs apparaissent également du côté de l'interaction fluide-structure, avec notamment la déformation de tuyaux parcourus par des ondes de pression, avec des applications du côté de la production sonore et des systèmes d'injection des moteurs à explosion interne. Enfin, les acquis méthodologiques récents mettent le groupe Energétique en excellente position pour les études de procédés propres, liés à la maîtrise de l'environnement. Rappelons pour finir que nous avions affiché depuis quelques années notre intention de redévelopper au sein du Département des études de nature expérimentale en fluides, car nous estimons, sans renier ce qui a fait notre spécificité sur le plan des simulations, qu'il serait souhaitable, à terme, de pouvoir mener en interne des études pluridisciplinaires, associant simulations numériques et investigations expérimentales. Après quelques tentatives abortées, nous fondions de nouveaux espoirs sur une thématique liée à la dispersion à l'échelle locale des polluants émis en atmosphère urbaine, qui a fait l'objet de l'appel d'offres PRIMEQUAL de l'ADEME et du Ministère de l'Environnement. Les difficultés budgétaires récentes sont venues à nouveau différer le développement de cette activité expérimentale.
La majeure partie des études effectuées dans le Département est soutenue par des relations contractuelles, que ce soit avec des agences de moyens ou avec des entreprises industrielles, de taille variable. Ansi les études sur les écoulements externes sont traditionnellement soutenues par la DRET, en collaboration avec le Laboratoire de Mécanique des Fluides du LEA de l'Université de Poitiers. En ce qui concerne les études sur les turbomachines, plusieurs collaborations existent avec le CNES (thèse de BDI de F. Bertagnolio sur les écoulements visqueux incompressibles dans des grilles d'aubes) ou avec la SNECMA (thèse de BDI de R. Jacques sur la simulation d'écoulements interdisques en régime turbulent dans le cadre du programme ARCTICA). Rappelons que les études sur les instabilités avaient été soutenues par le FIRTECH MEMTA. Nous participons aux discussions concernant la mise en place du réseau turbo-machines. Les études sur la dispersion de polluants ont reçu un soutien (de principe pour l'instant) du programme PRIMEQUAL, programme conjoint de l'ADEME et du Ministère de l'Environnement. Il faut tout de même constater qu'en ce qui concerne les groupes "Dynamique des Fluides" et "Dynamique des Transferts", les soutiens contractuels sont en nette diminution par rapport aux années antérieures et certains renouvellements espérés n'ont pas eu lieu (VALEO, RENAULT, EDF,..), ce qui est sans doute attribuable à la récession économique générale. La situation est plus favorable du côté du Groupe Energétique, en raison de relations privilégiées avec certains groupes industriels (ELF, LCL, GDF,..) et d'une bonne insertion du côté des programmes européens.
Nos relations avec nos deux établissements de rattachement que sont les Universités Paris VI et Paris XI se sont nettement améliorées ces dernières années, à la fois par notre implication dans les enseignements, mais également par notre participation aux différentes commissions rythmant la vie de ces établissements. Ceci est particulièrement vrai en ce qui concerne l'UFR de Mécanique de Paris VI, et le département compte actuellement 6 enseignants-chercheurs de l'UFR. Cela fait plusieurs années de suite que nous avons bénéficié de bourses MESR du DEA de Mécanique, ce dont nous nous réjouissons et ce dont nous remercions les responsables successifs de la formation doctorale. En ce qui concerne Paris XI, l'état de nos relations demande encore à s'améliorer. Le département compte 3 des 5 enseignants chercheurs de la filière de Mécanique. Ces enseignants ont activement participé à la mise en place de la filière de second cycle de Mécanique qui a produit ses premiers diplômés de maîtrise à l'été 1995. C. Dang Vu est responsable de l'année de Licence et il serait injuste que globalement, ils (et le département) ne profitent pas des retombées de cet investissement collectif. Nous souhaitons en particulier que le poste de Maître de Conférences ouvert au recrutement en 1996 vienne au LIMSI, les deux postes précédents étant allés au FAST. Nous souhaitons bien entendu que cette filière continue de se développer, et nous souhaitons disposer d'équipements de nature pédagogique, dans le but de pouvoir offrir aux étudiants une véritable formation aux techniques et concepts du calcul scientifique, avec la mise en place de TP d'utilisation d'outils de modélisation et de simulation... En plus des enseignants-chercheurs qui effectuent leurs services statutaires dans leurs établissements, certains chercheurs CNRS assurent des enseignements dans les formations doctorales "Dynamique des Fluides et des Transferts" de Paris XI et "Mécanique" de Paris VI. Les intervenants sont : J.L. Guermond et O. Daube à Paris VI, C. Tenaud, R.Viney, L.M. Sun, P. Le Quéré en DFT. L. Tuckerman assure des enseignements de Mécanique à l'Ecole Polytechnique et J.L. Guermond à l'ENSTA.
Outre les deux Formations Doctorales déjà mentionnées, le Département est laboratoire d'accueil pour les formations d'analyse numérique de Paris VI et Paris XI, pour le DEA de Conversion de l'Energie de Paris VI et pour le DEA de Génie des Procédés de l'U.T. de Compiègne.
Participation à la vie nationale
Le département participe de manière active à de nombreuses actions structurantes au niveau national. Nous participons à l'animation de la communauté nationale de Mécanique des Fluides Numérique, à travers notre participation au COST MFN (O. Daube) et au bureau du GdR MFN (P. Le Quéré). O. Daube et P. Le Quéré ont organisé les 3ème et 4ème édition de l'Ecole de Printemps de MFN en Mai 93 et 95, avec les soutiens du SPI et de la DRET, et ont pris en charge l'organisation de la 5ème pour 1997. Nous avons également organisé plusieurs journées de travail dans le cadre du GdR MFN sur les méthodes de caractéristiques, sur les méthodes de projection et de décomposition de domaines. Nous participons aux FIRTECH MEMTA, et "Calcul Scientifique" et au GdR "Couplage d'Equations". Nous avons été sollicités pour faire partie de la proposition du GdR GREDIC, sous la responsabilité de J.M. Delhaye du CENG. Nous sommes régulièrement sollicités pour intervenir dans des journées des sociétés savantes (SFT, GFGP, SHF, ...). Ta Phuoc Loc est collaborateur scientifique à l'ONERA.
Les chercheurs et enseignants-chercheurs du Département entretiennent évidemment de nombreuses relations avec des chercheurs étrangers, dont il est impossible de dresser une liste exhaustive. Certaines de ces relations sont soutenues par des actions spécifiques comme celle avec la Tunisie et la Pologne par la MDRI, celle avec le Pr Quartapelle dans le cadre du programme Galilée. Nous avons été sollicités pour faire partie d'un projet COPERNICUS, sur le calcul direct des éléments propres de certains opérateurs d'évolution. Le Département accueille régulièrement des chercheurs étrangers pour des séjours de courte durée. Ainsi au cours des 3 dernières années, les Professeurs R. Henkes, O. Talu, D. LeVan, Ed Ma, M. Behnia sont venus passer quelque temps parmi nous. Nous regrettons évidemment la quasi-disparition des postes rouges qui constituaient un moyen efficace pour organiser et soutenir ces séjours de courte durée. Le Département est membre de l'organisation ERCOFTAC, aux réunions de laquelle nous participons régulièrement. F. Meunier est membre de plusieurs sociétés savantes, l'International Adsorption Society, l'Institut International du Froid, l'Adsorption Heat Pump Society, et le groupe Energétique fait partie de plusieurs réseaux européens, deux contrats Joule et un réseau Capital Humain et Mobilité sur la réfrigération à sorption. Le groupe Energétique intervient également dans un programme EUREKA, animé par le Carbone Lorraine. Le LIMSI organisera la prochaine conférence internationale, "Fundamentals of Adsorption", qui se tiendra en Mai 1998.
Cellule Informatique Graphique
Comme il a été dit plus haut, une grande partie des activités effectuées dans le département consiste en la résolution numérique des équations de champ décrivant des écoulements ou des transferts. Une caractéristique de ces études est de s'intéresser aux situations instationnaires, ce qui engendre donc une masse considérable de données, en particulier pour des simulations tri-dimensionnelles. L'interprétation des résultats exige donc en général le recours à une phase de visualisation, qui consiste donc à fabriquer des images à partir des résultats des simulations. Pour aider les chercheurs dans cette tâche, il existe au sein du Département une Cellule Informatique Graphique, dont la mission est d'assister les chercheurs dans leurs besoins de visualisation. Cette Cellule est composée de A.T. Dang et de R. Brageu, et est placée sous la responsabilité de A.T. Dang. En plus de cette assistance pour la visualisation, la Cellule s'occupe des autres aspects variés liés à cette activité de simulations numériques, depuis la maintenance des stations jusqu'à l'aide à la vectorisation et la parallélisation des algorithmes.
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