plongez dans le tourbillon de la mécanique des fluides · l’institut de mécanique des fluides...
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Plongez dans le tourbillon de la mécanique des fluides !
Ateliers de Découverte de la Mécanique des Fluides
A l’Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse
INSTITUT DE MECANIQUE DES FLUIDES DE TOULOUSE
Allée du Professeur Camille Soula
31400 Toulouse
http://www.imft.fr/
CONTACTS IMFT :
Tel : 05 61 28 59 47
Fax : 05 61 28 58 99
E-mail : [email protected]
L’IMFT, Unité Mixte de Recherche CNRS / INP-ENSEEIHT / UPS, est un des premiers laboratoires de recherche en mécanique des fluides. Ses six groupes de recherche s’appliquent à étudier diverses thématiques scientifiques telles que les instabilités hydrodynamiques, les milieux diphasiques, hétérogènes, la turbulence, les milieux réactifs ou naturels, la biomécanique…
L’Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse
Des méthodes complémentaires pour une recherche fondamentale
La formation des étudiants en sciences, une mission prioritaire
Afin d’assurer sa mission de formation par la recherche, l’IMFT est laboratoire d’accueil pour deux écoles doctorales :
• Sciences De l’Univers, de l’Environnement et de l’Espace, SCU2E • Mécanique, Energétique, Génie civil, Procédés, MEGeP
et propose des stages aux étudiants des masters recherche suivants :
• Master Sciences, Technologie et santé, mention Sciences de la terre et environnement : - spécialité H2SE (Hydrologie, Hydrochimie, Sols, Environnement) - spécialité OASC (Océan, Atmosphère et Surfaces Continentales) • Master Sciences, Technologie et santé, mention Mécanique, Énergétique, procédés : - spécialité DET (Dynamique des fluides, Énergétique et Transferts)
Associant modélisation, expérimentation en laboratoire et simulation numérique, les
recherches de l’institut sont appliquées à des secteurs variés tels que l’énergie et les transports, les procédés, l’environnement ou encore la santé.
Les ateliers de l’IMFT sont l’occasion de rassembler chercheurs et étudiants toulousains autour de manipulations simples et interactives
en lien avec des thématiques scientifiques complexes étudiées au laboratoire.
Ces ateliers contribuent à la présentation de la démarche scientifique et de notions fondamentales comme la diversité des fluides et leurs comportements.
Les chercheurs s’appliquent à faire le lien entre la recherche menée et les phénomènes quotidiens et industriels qui s’y rattachent.
Atelier rhéologie : Des fluides aux comportements singuliers :
une affaire de viscosité et d’élasticité.
Atelier pollution : Granulométrie et vitesse d’écoulement expliquent
la pollution des rivières par les nappes.
Atelier simulation numérique : La simulation numérique,
une compétence transversale indispensable à la recherche et associée à l’expérimentation.
Les ateliers de découverte
L’expérimentation et la simulation numérique au service de la recherche
Quelques ateliers :
Des méthodes complémentaires pour une recherche fondamentale
L’Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse
Les ateliers de l’IMFT sont l’occasion de rassembler chercheurs et élèves autour de manipulations simples et interactives en
lien avec des thématiques scientifi ques complexes étudiées au laboratoire.
Ces ateliers contribuent à la présentation de la démarche scientifi que et de notions fondamentales comme la diversité des fl uides et leurs comportements.
Les chercheurs s’appliquent à faire le lien entre la recherche menée et les phénomènes quotidiens et industriels qui s’y rattachent.
L’IMFT est un des premiers laboratoires de recherche en mécanique des fl uides.
Ses groupes de recherche associent modélisation, expérimentation en laboratoire et simulation numérique pour développer des connaissances et applications diversifi ées au service de l’énergie, des transports, de l’environnement et de la santé.
Des activités ludiques et interactives pour découvrir la mécanique des fluides
Les ateliers de l’IMFT
RhéologieVi
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Venez y découvrir l’étonnante variété des fl uides : ceux qui sont utilisés dans l’industrie, mais aussi
ceux que nous manipulons tous les jours.
Visqueux, élastiques, à seuil… vous regarderez ensuite d’un autre œil miel, shampooing, gel de
coiffure, pâte à gâteau et autres crèmes…
Cette balle est un solide...
Ce mélange est un liquide...
Les apparences sont parfois trompeuses,
les expériences de l’atelier rhéologie en sont la preuve !!
Quelques notions de rhéologie
La pâte « silly putty » : entre solide et liquide...
Un fl uide, qu’est-ce que c’est?
Un fl uide est un corps qui peut s’écouler…. Oui, mais il n’est pas toujours facile de dire si un corps est solide ou liquide…
Et ensuite, de quoi va dépendre cet écoulement ?... de la viscosité, mais qu’est-ce que la viscosité? et de quoi dépend-elle ?... Est-ce qu’elle suffi t à caractériser le fl uide ?...
Viscosité, élasticité, … des fl uidesLa viscosité ne dépend pas que de la température et de la pression, elle dépend aussi souvent du mouvement du fl uide. Mais le fl uide peut également avoir des propriétés élastiques ou encore avoir un seuil d’écoulement….Ces caractéristiques vont conditionner la réponse du fl uide à une sollicitation (par exemple à une simple agitation), et les «réponses» du fl uide peuvent être très différentes suivant sa nature.
Ainsi, la compréhension et la maîtrise de ces comportements, dits «non newtoniens», permettent non seulement d’améliorer l’effi cacité et le rendement des procédés de fabrication mais aussi d’obtenir les propriétés souhaitées pour un produit dans des domaines très variés (agro-alimentaire, cosmétique, plastiques…)
Alignement de billes dans un écoulement de fl uide viscoélastique.
Lorsqu’on crée un mouvement de rotation dans un fl uide viscoélastique, il remonte le long de l’axe, c’est
« l’effet Weissenberg »… …et si on arrête l’agitation, il revient légèrement en
arrière. C’est un effet mémoire lié à l’élasticité.
PollutionEc
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L’atelier pollution invite les apprentis chercheurs à jouer le rôle de pollueur et à
en observer les conséquences dramatiques sur les nappes et les rivières.
Les problèmes liés aux stations de pompage ou d’épuration, aux forages et aux déversements chimiques des industriels sont abordés avec le visiteur.
L’utilisation d’une maquette et d’un traceur coloré comme polluant met en évidence la diversité des vitesses d’écoulement dans les nappes selon la taille des grains en présence.
L’écoulement de liquide entre les grains est facilité si ces derniers sont de grande taille.
Dans l’argile, terrain imperméable où les grains en présence sont très fi ns, le liquide ne s’écoule pas.
Des vitesses différentes…
Les nappes, effet de granulométrie
…Pour des écoulements originaux
Ces différentes vitesses de propagation dans les nappes souterraines peuvent entraîner des écoulements aux formes singulières comme
des panaches.
L’hétérogénéité et la variété des milieux en question rendent diffi cile la gestion des sols et des écoulements.
Ecoulement en panache dans les
nappes souterraines et différences de vitesses.
Simulation de la pollution d’un cours d’eau
Rivière
Les milieux granulaires
Les manipulations proposées, s’apparentant à première vue
à des tours de magie, révèlent rapidement des matériaux ni solides, ni liquides aux comportements dictés par leur taille et leur rugosité.
Entre
solid
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uide
s
• Qui gagnera la course des sabliers, l’eau ou le sable ?
• Comment mélanger des grains de différentes tailles ?
• Pourquoi le sable forme-t-il une pyramide lorsqu’il s’écoule ?
Le groupe de l’atelier granulaire est confronté à une série de questions auxquelles les réponses ne sont pas toujours fi dèles à notre intuition.
Quelques explications physiquesLa dilatance de Reynolds, ou
comment garder les pieds au sec
Si on marche sur du sable mouillé : le sable sèche autour des
empreintes. C’est le même phénomène !
La ségrégation, impossible à mélanger !
Simulation numériquePi
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busti
ble
& Cet atelier conférence aborde la simulation
numérique en mécanique des fl uides grâce à l’exemple de la
pile à combustible.
Cette méthode virtuelle, toujours associée à l’expérimentation réelle en laboratoire, dévoile
ses avantages et ses inconvénients au fi l de quizz interactifs.
Le visiteur découvre la diversité des applications possibles de la simulation dans des domaines aussi variés que l’industrie aéronautique ou la création cinématographique.
L’exemple de la pile à combustible, source d’énergie motrice en développement, permet de mettre en évidence l’infl uence de la texture des parois dans le déplacement des fl uides à l’intérieur de celles-ci.
La forme des gouttes dépend de leur vitesse, de la température, de la forme et de la texture du support.
L’infl uence de ces paramètres va créer des gouttes plus ou moins sphériques ou aplaties.
Quelques éléments de théorie...
La résolution de problèmes réels est parfois trop complexe par l’expérimentation, les chercheurs utilisent alors la simulation numérique.
La réalité simplifi ée est alors simulée sur ordinateur à l’aide d’équations.
Les résultats obtenus sont ensuite applicables dans le domaine industriel.
La gestion des gouttes...
... appliquée à la pile à combustible
Dans le cas de la pile à combustible, la forme des gouttes est déterminante pour son effi cacité.
Ne pouvant que diffi cilement maîtriser les autres facteurs, c’est la texture du support qui est mise en jeu.
La simulation numérique comme solution
AérodynamiqueEc
oulem
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’air
& L’atelier aérodynamique explique les effets d’un écoulement d’air autour d’un corps, en fonction de sa forme et d’autres paramètres, ainsi que la relation entre l’élasticité de ce corps et les mouvements de l’air.
Cet atelier propose une visite de la grande souffl erie de Banlève
encore utilisée aujourd’hui pour les expérimentations en partenariat avec de grands groupes tels que EADS, Dassault, Renault,… dans les domaines de l’aéronautique, de la construction automobile et de l’énergie.
Autour de courts fi lms d’animation, d’un diaporama et d’expériences sur banc d’essai, le visiteur prend
conscience des travaux menés sur le site et de l’importance des recherches en aérodynamique pour la société et l’industrie.
Pour un début d’explication……Des écoulements autour d’un corps
Un corps aérodynamiquement stable sera plutôt effi lé et arrondi devant (profi l d’aile).
Dans certaines conditions, on assiste au détachement périodique ou non de tourbillons néfastes pour la traînée et la portance.
Ceci est un corps instable.
Ecoulement alternatif, tourbillons
Le fl ottement est une instabilité entretenue entre un écoulement d’air et les mouvements élastiques de torsion et de fl exion d’une structure déformable.
Ce phénomène, s’il n’était pas maîtrisé, conduirait à la destruction des ailes d’avions par exemple.
…Du phénomène de fl ottement
Capillarité
Dém
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La capillarité, un phénomène physique bien connu des chercheurs
A l’échelle moléculaire, une question d’interface
L’échelle macroscopique, entre pression et tension
Un copeau métallique déposé à la surface de l’eau fl otte et entraine une légère
déformation de cette surface .
de gravitéCo
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Voici quelques exemples de courants de gravitéauxquels les chercheurs et chercheuses s’intéressent.
• Une tempête de sable• Une tempête de sable•• Un incendie dans un tunnel • Une rivière plongeant dans la mer
L’atelier courant de gravité vous propose de vous faire découvrir un des nombreux phénomènes rencontrés dans la nature et qui suscitent l’attention des chercheurs-euses en environnement.
L’expérience à laquelle vous allez assister sera constituée d’une cuve séparée en deux parties et contenant respectivement un liquide lourd
et un liquide léger, mais…Comment peut-on générer un mouvement de fl uide dans une cuve à fond horizontal ?
Comment modifi er la densité d’un fl uide et donc jouer avec la gravité ?
Ce phénomène peut-il expliquer la non-homogénéité en densité de l’atmosphère et de l’océan ?
Des explications approfondies du phénomène ...
Un courant de gravité est l’écoulement d’une couche de fl uide dont la densité est différente de celle du fl uide avoisinant.
On peut retrouver ce type d’écoulement aussi bien dans des situations naturelles (tempêtes de sable, fronts orageux, courants sous-marins) mais aussi industrielles (transport de pétrole, climatisation). Certaines situations peuvent être très dangereuses pour l’homme : incendies dans les tunnels, avalanches, marées noires, éruptions volcaniques.
l’expérience en résuméLe courant de gravité est généré dans une cuve dans laquelle on peut séparer deux compartiments de fl uide grâce à une vanne.
• On va alors augmenter la densité du fl uide isolé par la vanne en lui ajoutant du sel.• Pour le différencier du fl uide non salé et visualiser son trajet, on le colore.• La vanne ensuite levée, le fl uide lourd va, sous l’effet de son propre poids (donc de la gravité…), s’étendre sur le fond de la cuve, soulevant la couche de fl uide légère (non salée).
Suivie par la simulation numérique
Expérimentation
Les chercheurs et chercheuses ont recours à la simulation numérique (reproduction des phénomènes naturels par ordinateur) pour pouvoir mieux contrôler les paramètres du problème et compléter l’information apportée par l’expérimentation.
Simulation numérique
Combustion In
stabil
ités d
e u Comment faire danser une flamme ?u Peut-on aussi faire chanter une flamme ?u Le bruit d’une flamme peut-il casser un moteur ?
L’atelier combustion permet d’aborder avec une expérience simple un problème majeur dans la conception
des moteurs d’avion, de fusée ainsi que les turbines à gaz.
Une première expérience met en évidence les instabilités qui peuvent apparaître de manière surprenante dans une chambre de combustion.Une seconde expérience montre aux visiteurs comment ces problèmes sont étudiés concrètement dans un laboratoire de recherche.
Les instabilités de combustion sont dues à un couplage entre les flammes et l’acoustique : les flammes interagissent avec le son !Les instabilités de combustion font osciller la flamme, vibrer le moteur et peuvent causer sa destruction.
Quelques notions sur les instabilités de combustion...
Un tube, comme une chambre de combustion, possède des modes propres acoustiques. Ce sont des ondes de pression et de vitesse dont la fréquence est déterminée par la géométrie du tube : c’est le principe de base des instruments à vent !Si on place une flamme dans ce tube elle peut interagir avec l’acoustique à cause de la chaleur qui dilate les gaz. Si le dégagement de chaleur et l’augmentation de pression se font « au bon moment » (tout comme il y a un « bon moment » pour pousser une balançoire) l’acoustique est amplifiée : on a une instabilité.