Semi-plénières CFM 2022

Responsables de presque 18 millions de morts chaque année, les maladies cardiovasculaires sont la première cause de mortalité dans le monde. En France, elles en sont la deuxième cause, derrière le cancer, avec 400 décès par jour. Parmi ces maladies, celles liées aux dysfonctionnements de l’aorte, artère principale du corps humain, engagent, elles aussi, le pronostic vital. Leur genèse et leur évolution sont multi factorielles et il est maintenant reconnu que les facteurs mécaniques participent aux mécanismes de remodelage délétères de la paroi aortique. Ainsi, depuis plus de 30 ans des modélisations in vitro et in silico à la complexité croissante sont développées afin de caractériser la dynamique des fluides et des structures impliqués. Ces travaux permettent de participer à l’amélioration des diagnostics, des thérapies voire à la mise en œuvre de dispositifs et procédures innovantes afin de proposer une meilleure prise en charge des patients qui soit la plus précoce et la plus personnalisée possible. A l’échelle macroscopique, les modélisations dites « réparties » traitent de la dynamique d’écoulements tridimensionnels instationnaires dans des géométries complexes et évolutives d’un fluide non newtonien en interaction avec des structures déformables, multi couches, hétérogènes qui se remodèlent et qui présentent un comportement mécanique non linéaire, anisotrope, viscoélastique voire poreux avec gradients de perméabilité. A l’échelle microscopique, les travaux s’attachent notamment à caractériser les mécanismes de mécano-transduction, de transfert et de transport reliant les mécanismes micro et macroscopiques. Enfin, ces études s’intéressent également à la caractérisation morphologique et mécanique des tissus biologiques impliqués ainsi qu’à leur composition et ceci à différentes échelles d’observation.
Un état de l’art synthétique, montrera en autres, comment l’imagerie, qu’elle soit biomédicale ou non, est devenu grâce à de remarquable avancées technologiques, un outil incontournable à l’instar des indispensables collaborations avec les domaines clinique et biologique. Quelques réalisations, illustrant notamment les corrélations entre l’évolution spatio temporelle de grandeurs morpho-hémodynamiques et la prédiction d’événements cliniques délétères, seront ensuite présentées. Des perspectives et défis seront enfin proposés où l’apprentissage profond jouera nous l’espérons, un rôle important dans le développement d’outils de prédiction disponibles au lit du patient.
 

Cet exposé présentera les progrès récents réalisés en matière d'adaptation de maillage anisotrope pour les simulations RANS.
On se concentrera sur la prédiction de la traînée et de la portance en aéronautique.
Dans un premier temps, nous allons présenter chaque étape de la stratégie de maillage adaptatif :
le solveur numérique, les estimateurs d'erreur RANS (feature-based et goal-oriented que l'on comparera), le remailleur local et les méthodes d'interpolation.
Le point clef est de proposer des méthodes numériques robustes compatibles avec la forte anisotropie, ie des ratios de 1:10000.
On décrira comment, dans la pratique, la boucle d'adaptation de maillage est mise en place et les avantages de le faire de la sorte (effet de type multigrille, étude de convergence gratuite, ...).
Dans les exemples présentés, on montrera la capture précoce des fonctionnelles d'intérêt et la convergence en maillage de la solution,
cela de manière automatique et quelque soit le maillage initial. Un premier pas nécessaire vers la certification des solutions numériques.

Les propergols sont des matériaux hétérogènes, contenant des fractions volumiques très importantes de charges de tailles micrométriques, liées entre elles par un polymère amorphe à l’état caoutchoutique. Si les propriétés énergétiques sont la priorité dans le développement de nouveaux matériaux, la tenue mécanique n’est pas à négliger. En effet, l’apparition de fissures peut rendre leur combustion dangereusement instable.
Afin de mieux comprendre la résistance et la ténacité de ces matériaux lors d’un chargement simple uniaxial, des observations de l’endommagement local à l’interface charge/matrice de trois propergols modèles révèlent un impact direct entre l’endommagement par décohésion de la matrice autour des charges et le comportement mécanique.
Pour faire le lien entre l’endommagement local et le comportement mécanique macroscopique de ces matériaux hétérogènes, une approche micromécanique numérique par éléments finis, prenant en compte la décohésion de la matrice autour des charges par l’introduction d’éléments de type zone cohésive à l’interface charge/matrice (Fig1 a), est proposée[1]. Une telle modélisation permettra d’aborder différentes questions comme celle de la définition d’un volume élémentaire représentatif pour des matériaux contenant de très forts taux de renforts, ou de l’impact de la forme des renforts, sphériques ou polyédriques (Fig. 1b), ainsi que des propriétés d’adhésion entre la matrice et les charges. [1] de Francqueville, F.; Diani, J.; Gilormini, P.; Vandenbroucke, A., 2021. Use of micromecchanical approach to understand the mechanical behavior of solid propellants. Mech. Mater. 153, 103656.
[2] Tvergaard, V.; Hutchinson, J.W., 1993. The influence of plasticity on mixed mode interface toughness. J. Mech. Phys. Solid. 41, 119-1135.
[3] de Francqueville, F.; Gilormini, P.; Diani, J.; Vandenbroucke, A., 2020. Comparison of the finite strain macroscopic behavior and local damage of a soft matrix highly reinforced by spherical or polyhedral particles. Eur. J. Mech. Solids A, 84, 104070.

La profitabilité des parcs éoliens, sur terre et en mer, est directement liée à leur rendement énergétique, lui-même pouvant être dégradé par les interactions entre les éoliennes et leurs sillages. En effet, une éolienne, par son mode d’extraction de l’énergie du vent, génère un sillage caractérisé par un déficit de vitesse et une production de turbulence. Une éolienne située en aval subira une détérioration de ses conditions d’entrée, engendrant une éventuelle perte de production et une augmentation de la fatigue. L’éolienne étant immergée dans la couche limite atmosphérique, caractérisée par un écoulement non uniforme, fortement turbulent et sujet à des forçages thermiques, les propriétés stationnaires et instationnaires des sillages des éoliennes, ainsi que leurs interactions, représentent un sujet d’étude complexe, mobilisant une communauté industrielle et académique conséquente.
En partant des modèles caractérisés « d’ingénierie » et en passant par des outils de simulation haute-fidélité et de mesures à échelle réduite ou in situ, les propriétés des sillages des éoliennes, les enjeux de recherche associés et les interfaces avec d’autres disciplines seront présentés.

En dynamique non-linéaire des structures, la discrétisation spatiale (basée par exemple sur la méthode des éléments finis), et la discrétisation temporelle (choix d'un intégrateur temporel et du pas de temps), conduisent encore aujourd'hui à des problèmes de très grande taille à la limite des capacités des calculateurs. En effet, l'approche classique consiste à utiliser un seul pas de temps pour tout le maillage et un seul intégrateur temporel. Encore plus problématique, la majorité des schémas utilisés ne vérifient pas les propriétés de symétrie des équations de référence et ne fournissent pas de solution précise sur des temps longs (symplecticité, lois de conservation, intégrales premi ères,...). Dans ce cadre, il s'agit de proposer de nouveaux paradigmes pour l'intégration temporelle des équations hyperboliques associées: approches multi-échelles en temps (pas de temps asynchrones), couplage de schémas temporels différents (hétérogènes), intégrateurs temporels géométriques (vérification des propriétés de symétrie des équations au sens discret). Les simulations tridimensionnelles en dynamique transitoire illustrent la précision, la robustesse et l'efficacité de l'approche proposée, ainsi que le très bon comportement de la méthode sur des temps longs.

Multiscale statistical analyses of inertial particle distributions are presented to investigate the statistical signature of clustering and void regions in particle-laden incompressible isotropic turbulence. Three-dimensional direct numerical simulations of homogeneous isotropic turbulence at high Reynolds
number (Reλ≳200) with up to 10^9 inertial particles are performed for Stokes numbers ranging from 0.05 to 5.0.
A finite-time measure to quantify divergence and the rotation of the particle velocity by determining respectively the volume change rate of the Voronoi cells and their rotation is proposed. For inertial particles the probability distribution functions (PDF) of the divergence and of the curl deviate from that
for fluid particles. The PDFs of the particle vorticity have much heavier tails compared to the fluid vorticity, and the extreme values increase significantly with the Stokes number.
Orthogonal wavelet analysis is then applied to the computed particle number density fields. Scale-dependent skewness and flatness values of the particle number density distributions are calculated and the influence of Reynolds number
and Stokes number is assessed. The results indicate that void regions at the intermediate sales are pronounced and intermittently distributed for small Stokes numbers.
This is joint work with Thibault Oujia (Aix-Marseille U, France), Keigo Matsuda (JAMSTEC, Japan) and Katsunori Yoshimatsu (Nagoya U, Japan).
References.:
T. Oujia, K. Matsuda and K. Schneider. Divergence and convergence of inertial particles in high Reynolds number turbulence. J. Fluid Mech., 905, A14, 2020.
K. Matsuda, K. Schneider and K. Yoshimatsu. Scale-dependent statistics of inertial particle distribution in high Reynolds number turbulence. Phys. Rev. Fluids, 6, 064304, 2021.

 

Les essais mécaniques réalisés in-situ sous tomographie à Rayons X permettent de suivre l'amorçage et la propagation des fissures de fatigue en volume, à l'échelle des constituants de la microstructure. Des problématiques anciennes peuvent ainsi être revisitées notamment en couplant la tomographie avec la corrélation d'images volumiques, qui permet de compléter le suivi des mécanismes permis par l’imagerie par des données quantitatives sur les champs de déplacement en pointe de fissure ou sur le cumul de déformation locale avant amorçage.
Ces dernières années, nous avons ainsi étudié les problématiques de fermeture de fissures 3D au cours de la propagation de fissures longues, traversantes, sous chargement d'amplitude constante et de fissures courtes, tridimensionnelles, avec application de surcharges, ainsi que l'amorçage à partir de défauts et la propagation de fissures en fatigue oligocyclique isotherme dans un alliage d'aluminium de fonderie.

L’intensification par les fluctuations de vitesse des phénomènes de transports dans les milieux en réaction motive l’omniprésence des écoulements turbulents dans les industries de transformation et de production d’énergie. Les stratégies d’obtention des lois de comportement, utiles au dimensionnement et à l’optimisation de ces systèmes, sont en pleine mutation. Le couplage entre modélisation physique et apprentissage machine est l’un des ingrédients essentiels de ces nouvelles approches. Dans ce contexte, les principales difficultés à surmonter et les grandes lignes des formulations retenues pour la modélisation physique des écoulements réactifs (liquides et gaz) seront présentées, en soulignant les liens sous-jacents entre des approches parfois considérées comme antagonistes. Le couplage entre ces modélisations et l’apprentissage machine sera discuté avec le transfert de la gestion des phénomènes non-linéaires vers des réseaux de neurones. Des illustrations seront alors données dans le contexte de la simulation des flammes turbulentes et des systèmes de combustion.

Alors que le monde évolue vers une mobilité électrique accrue et la production d’électricité décarbonée, nous assistons également à une explosion du marché des équipements électroniques et des technologies digitales. En conséquence, la demande en batteries – en particulier de type Li-ion – s’intensifie et des questionnements apparaissent quant à leurs impacts au plan environnemental et à l’accessibilité des ressources. De fait, promouvoir des solutions de stockage électrochimique à base de matériaux organiques redox peut offrir certaines alternatives. La versatilité de la chimie organique redox ouvre, en effet, de nouvelles perspectives d’innovation pour le stockage électrochimique de l’énergie électrique, mais aussi des solutions en termes d’éco-conception et de coût de fabrication. Cette présentation sera l’occasion de montrer un aperçu des multiples configurations de batteries « organiques » qui sont conceptuellement accessibles ainsi que quelques exemples sélectionnés de batteries organiques.

La modélisation de la propagation sonore au sein d'un écoulement permanent est classiquement obtenue en considérant le champ acoustique émis depuis la source. Après avoir introduit le problème adjoint privilégiant l'observateur plutôt que la source, on montre qu'il représente la généralisation naturelle du théorème de renversement de l'écoulement, valide uniquement pour une classe restreinte d'écoulements. Cette approche adjointe nous permet de définir ensuite une formulation stable pour la propagation acoustique en présence d'un écoulement cisaillé, à laquelle on peut associer une équation de conservation de l'énergie acoustique. Il est possible d'utiliser cette approche dans des configurations variées. On illustre ici son application avec la détermination du champ acoustique rayonné par la turbulence fine échelle en aéroacoustique.