Programme JDFP 2022

Un réseau modulé d’ondes carrées de Faraday

J.-G. Thiriet, L.S. Tuckerman, J. Chergui, D. Juric, S. Shin, R. Agrawal
PMMH-CNRS-ESPCI-PSL-Sorbonne, CPHT et DAM-CEA, LISN-CNRS-Paris-Saclay, Hongik University, Stanford University

Lorsqu’une couche de fluide est soumise à une oscillation verticale, un réseau d’ondes stationnaires apparaît sur sa surface. Domino et al. ont observé une modulation lente d’un réseau carré d’ondes de Faraday. Nous avons simulé ce motif numériquement avec le code BLUE. Le motif ondulé résulte d’une bifurcation supercritique d’un réseau de carrés réguliers. D’autres réseaux carrés, de plusieurs angles et tailles, existent, ainsi que des états intermédiaires entre des rectangles et des hexagones. Nous avons calculé des spectres de Fourier de ces états, ainsi que le diagramme de bifurcation qui les organise.

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Numerical simulations of swirling electrovortex flows in cylinders

S. Bénard [1], W. Herreman [1], C. Nore [1] et J.-L. Guermond [2]
[1] Université Paris-Saclay, CNRS, LISN, 91400 Orsay, France [2] Department of Mathematics, Texas A&M University 3368 TAMU, College Station, TX 77843-3368, USA

Using direct numerical simulations, we characterize the flow produced in a cylinder filled by a liquid metal submitted to a uniform vertical magnetic field B and an imposed density current J. This cylinder is connected electrically and symmetrically to a thinner solid copper wire. In the bottom half part of the cylinder, the current is deviated towards the wire and creates a mainly azimuthal Lorentz-force always localized near the electrical contact. This force generates a swirling electrovortex flow that pumps the fluid downwards in a spiral motion prior to ejecting it radially. In the top half, the pumping is directed upwards. By varying various parameters, we identify different flow regimes.

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Condensation-induced self-patterning of a thin claye layer

J.Martin (1), F.Doumenc (1,2)
(1) Université Paris-Saclay, CNRS, FAST, 91405, Orsay, France (2) Sorbonne Université, UFR 919, 4 place Jussieu, F-75252, Paris Cedex 05, France

We show through laboratory experiments that the self–patterning of a thin clayey layer can be triggered by condensation. The natural sediment used in the experiments was a highly polydisperse granular paste with smectite clay in the fine fraction. Under certain physicochemical conditions, condensation induces the solid–to–liquid transition of the sediment layer, resulting in sediment flow and the formation of band structures.

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Influence de la rotation sur la vidange classique de Torricelli

Aurore Caquas, Luc Pastur, Alain Genty, Philippe Gondret
ENSTA, CEA, FAST

Il y a près de 400 ans, Torricelli a découvert la loi décrivant la vidange d'un récipient. Cette loi a été démontrée un siècle plus tard par le théorème de Bernoulli et certaines limites de l'application de cette loi sont encore étudiées de nos jours. Lorsqu'un grand réservoir est vidé, dans la plupart des cas, un tourbillon se forme. La vorticité présente dans l’écoulement va en effet se concentrer là où le gradient de vitesse est important, c'est-à-dire là où l'eau est vidée. De nombreux travaux ont été consacrés à l’étude des tourbillons de « baignoire ». Cependant, alors que des différences de vitesses de vidange avec et sans vortex ont été constatées, à notre connaissance, aucune étude n'a déjà analysé la modification de la loi de Torricelli par la présence du vortex. Nous réécrirons la loi de vidange dans ce cas précis et la comparerons à des résultats expérimentaux de vidange tourbillonnaire instationnaire dont nous caractériserons l’évolution de la structure de l’écoulement.

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Extreme waves in coastal areas: assessment of nonlinear effects induced by an abrupt variation of water depth

Michel Benoit (1,2), Jie Zhang (3), Yuxiang Ma (3)
(1) Laboratoire d'Hydraulique Saint-Venant (Ecole des Ponts ParisTech, EDF R&D) (2) EDF R&D Laboratoire National d'Hydraulique et Environnement (LNHE) (3) State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering, Dalian Univ. of Technology, China

We study the transformation of irregular ocean waves as they propagate over an abrupt reduction of water depth, by simulating recent wave flume experiments from Trulsen et al. (2020) with a fully nonlinear potential flow model. The change of water depth induces a non-equilibrium dynamics (NED) of the wave train in the beginning of the shallow water area, accompanied by a strong non-Gaussian behaviour of the sea state, which manifests by local sharp variations of the statistical parameters of surface elevation (skewness and kurtosis) and a local enhancement of higher-order harmonics in the wave spectrum. The probability of extreme wave heights is also enhanced, with an increased occurrence of large waves meeting the usual freak wave criterion (H > 2 Hs).

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Force de masse ajoutée en milieu granulaire

Antoine Seguin & Philippe Gondret
Université Paris-Saclay, CNRS, FAST

Le concept de masse ajoutée a été introduit par Bessel en 1828 puis repris par Stokes pour rendre compte finement de l'influence de l'air sur le mouvement de pendules oscillants. Par des simulations numériques discrètes, nous avons mesuré la force sur un objet en accélération dans un milieu granulaire et mis en évidence un terme de masse ajoutée fonction du rapport de taille de l'intrus vis-à-vis des grains.

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Croissance de bulle à basse pression

N. Grenier, M.-C. Duluc, M. Brahiti, P. Mantaropoulos, F. Giraud, B. Tréméac, P. Tobaly
LISN - Université Paris-Saclay, LAFSET - CNAM

Dans le contexte du remplacement des fluides frigorigènes à fort potentiel de réchauffement climatique dans les pompes à chaleur, un fluide candidat est l'eau. Cependant, pour continuer à s'évaporer à température ambiante, il est nécessaire d'abaisser la pression dans le circuit à un centième de la pression atmosphérique. Dans ces conditions, combinées au choix d'un échangeur de chaleur compact à plaques, les bulles issues de l'ébullition ont une croissance très différentes de celle usuellement rencontrées. A l'aide de simulations numériques, nous tenterons de classifier les régimes de croissance, afin de prédire celui accentuant les transferts thermiques dans l'échangeur.

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Metal pad roll dans une batterie à métaux liquides

W. Herreman, C. Nore, L. Wierchalek
LISN-CNRS, Université Paris-Saclay

Dans une batterie à métaux liquides, un courant électrique intense passe à travers 3 couches de liquides conducteurs superposées. Suite à la force de Lorentz, des ondes de gravité peuvent spontanément croître sur les interfaces entre les couches, par le phénomène de l'instabilité de metal pad roll. Nous proposons un nouveau modèle théorique qui décrit cette instabilité. Ce modèle nous permet de prédire les régimes de stabilité de futures batteries.

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Analysis of collective motion of reactive suspensions

Francisco Rojas-Perez, Blaise Delmotte and Sebastien Michelin
LadHyX, Ecole Polytechnique (and Instituto Tecnológico de Costa Rica)

Reactive suspensions consist on large sets of micrometrical particles in a fluid that performs chemical reactions generating fluid slip velocity on their surface and finally producing self-propulsion. In these suspensions the particles interact hydro-dynamically, chemically and through steric interactions leading to intriguing collective dynamics, that we study numerically using the previously developed and validated Diffusiophoretic Force Coupling Method (DFCM). We will show in this presentation some of the emerging states of the suspensions and characterize their behavior.

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Exemple et réflexions sur l'usage de l'apprentissage automatique en contrôle d'écoulements

F. Lusseyran, G. Cornejo Maceda, E.Varon, B.R. Noack, O. Semeraro
LISN, CNRS, Université Paris-Saclay, HIT Shenzhen, TU Berlin

Le contrôle actif des écoulements s’oriente de plus en plus vers le développement d’algorithmes d’apprentissage automatique. Est-ce par simple constat de l’insuffisance fréquente des lois de contrôles déduites des équations générales, même après une réduction de modèle pertinente, où bien se dégage-t-il, une nouvelle perspective d’appréhension des phénomènes d’interaction ? Ce thème sera ouvert, en partant de l’exemple du contrôle par gMLC (algorithme développé au LISN) d’une dynamique d’écoulement fortement non-linéaire et 3D, l’écoulement de cavité ouverte.

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Influence of turbulent natural convection on heat transfer in shallow caves

B. Qaddah, L. Soucasse, F. Doumenc, S. Mergui, Ph. Rivière, A. Soufiani
Laboratoire EM2C, CentraleSupélec Laboratoire FAST, Université Paris-Saclay, Sorbonne Université

We aim at analyzing in detail the different heat transfer mechanisms involved in a confined shallow cave embedded in a rock massif submitted to seasonal variations of the ground temperature. Heat conduction in the rock massif, radiative heat transfer between cave walls, and turbulent natural convection inside the cave are considered. The natural convection problem is solved by large-eddy simulations (LES) using a Chebyshev pseudo-spectral method associated with a spectral vanishing viscosity (SVV) model. The thermal boundary conditions applied to the cave walls are obtained from a large-scale model that takes into account heat conduction in the rock massif and radiative fluxes between cave walls. This approach allows us to characterize the relative strength of convective and radiative fluxes and to identify the regions of the cavity and times of the year of intense heat transfer. We identified two different flow regimes: (i) a one-cell flow regime associated with strong convection, high turbulence level and unstable mean vertical temperature gradient, (ii) a multiple-cell flow regime associated with weak convection, low turbulence level and stable mean vertical temperature gradient. The use of the Newton's law to describe convection heat fluxes at the cavity walls is discussed.

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Interaction of shock-waves with a compliant wall

Carmen Riveiro Moreno, Marie Couliou, Nicolò Fabbiane, Olivier Marquet and Reynald Bur
Dep. d’Aérodynamique, Aéroacoustique et Aéroelasticité, ONERA, 92190 Meudon, France Dep. d’Aérodynamique, Aéroacoustique et Aéroelasticité, ONERA, 92320 Châtillon, France

Experiments on a transonic wind tunnel are conducted to analyse the fluid structure interaction (FSI) of a normal shock-wave with a soft material (SM). Recent work on this FSI has shown promising results in damping an oblique shock’s low frequency oscillations. Nonetheless, FSI mechanism involved is yet unclear. Experiments are carried out in S8Ch wind tunnel equipped with a Mach 1.4 half-nozzle and a downstream second throat, which allowed to generate the unsteady normal shock under study. Tests on Shock Boundary Layer Interaction (SBLI) on a rigid wall constitute the reference case. Shock dynamics were captured with high-speed Schlieren visualizations. Spectral Proper Orthognal Decomposition (SPOD) using Schlieren videos show a medium frequency bump (60 to 200 Hz). Lower frequency peaks were found to be caused by a forcing of the stagnation pressure measured in the settling chamber. Imaginary and real parts of the mode indicate a pure oscillation of the SBLI. Therefore, the SBLI seems to behave as a noise amplifier. An elastic model written in Finite Element Method was developed as a first approximation to predict the SM’s behaviour. Through Dynamic Mechanical Analysis SM’s mechanical properties were determined.

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Wind wave growth over a viscous liquid

Jishen Zhang Marc Rabaud Frédéric Moisy
Université Paris-Saclay, CNRS, FAST

Theoretical and laboratory studies of wind-wave generation have focused primarily on the air-water interface, with weak effects of viscosity. Here we are interested in the growth rate of wind waves with strong viscous effects close to the onset velocity. In our experiment, wind is blowing over a layer of silicon oil, of viscosity 20 times more viscous than water, and waves are excited by an immersed wave-maker. At low wind velocity, all frequencies are attenuated, whereas beyond a critical wind velocity, waves are amplified in a certain range of frequencies, that widens as the velocity is increased. We measure the spatial evolution of the wave field using Free-Surface synthetic Schlieren, a refraction-based optical method with micrometer accuracy. Using band-pass filtering of the surface elevation, we can selectively measure the growth rate for each excitation frequency, even if the excited wave is attenuated while amplified waves are present at other frequencies. We measure systematically the spatial growth rates for all wind velocities and wave frequencies, from which we deduce the marginal stability curve. By subtracting the viscous damping rate from the measured growth rates, we show that our results compare well with the classical Miles' prediction.

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Are experiments of Metal Pad Roll Instability feasible at Room Temperature?

Caroline Nore with Wietze Herreman, Loic Cappanera, Jean-Luc Guermond and Tom Weier
Université Paris-Saclay, CNRS, LISN, 91400 Orsay, France Dep. Mathematics, University of Houston, Houston, Texas 77204-3008, USA Dep. Mathematics, Texas A&M University, 3368 TAMU, College Station, Texas 77843-3368, USA Helmholtz-Zentrum Dresden - Rossendorf, Bautzner Landstraße 400, 01328 Dresden, Germany

Aluminium Hall-Héroult reduction cells can be the place of the metal pad roll instability (MPR), ie the growth of gravity waves at the interface between the mixture of cryolite and alumina on top and the liquid aluminium on bottom when a weak ambient magnetic field is present [1]. Combining theoretical arguments and numerical simulations, we demonstrate that this MPR instability can occur in a centimeter-scale setup with reasonable values of the magnetic field and electrical current and with metal pairs that are liquid at room temperature. We investigate two fluid pairs: gallium with mercury (immiscible pair) and gallium with GaInSn eutectic alloy (miscible pair). We propose an experimental setup and discuss a list of difficulties that can be overcome [2]. [1] T. Sele, Metall. Mater. Trans. B 8, 613 (1977). [2] C. Nore, L. Cappanera, J.-L. Guermond, T. Weier and W. Herreman: Feasibility of metal pad roll instability experiments at room temperature, Phys. Rev. Lett. 126, 184501 (2021).

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Rhéologie d'un radeau granulaire

Jonathan Lalieu, Antoine Seguin, Georges Gauthier
Université Paris-Saclay, CNRS, Laboratoire FAST, F-91405, Orsay, France

Nous étudions expérimentalement la rhéologie d'un radeau granulaire dans une configuration plane de cisaillement simple. Nous mesurons une courbe d'écoulement contrainte/déformation ainsi qu'un champ de vitesse des grains constituant le radeau. Un modèle hydrodynamique s'appuyant sur la théorie cinétique étendue à l'écoulement granulaire dense rend compte de la localisation de l'écoulement.

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Erosion par un disque animé d’un mouvement vertical au-dessus d’un lit granulaire

Joanne Steiner, Cyprien Morize, Alban Sauret et Philippe Gondret
Laboratoire FAST, CNRS, Université Paris-Saclay, F-91405 Orsay, France Department of Mechanical Engineering, University of California, CA 93106 Santa Barbara, USA

Les poissons plats, en battant des nageoires à proximité des fonds marins, soulèvent du sable qu’ils laissent retomber sur leur corps afin de se cacher. Nous reproduisons une partie de ce mouvement en laboratoire en faisant monter ou descendre un disque à proximité d’un lit granulaire. Le déplacement du disque suit une demi-oscillation. Cela permet de déterminer des seuils d’érosion sous la forme d’un temps de montée ou de descente au-dessous duquel il y a des mouvements de grains. Ces seuils sont déterminés en fonction de l’amplitude du déplacement, de la taille du disque et de sa distance minimale par rapport au lit granulaire et comparés à des champs de vitesse obtenus par PIV.

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Imbibition into a swelling model textile

Pierre Van de Velde, Suzie Protière, Camille Duprat
LadHyX (Ecole Polytechnique), Institut Jean le Rond d'Alembert (Sorbonne Université)

In this experimental study, we consider a model textile composed of two parallel fibers interacting with a fluid. If the ratio between inter-fiber distance and fiber radius is small enough, a capillary imbibition between the fibers is possible. In the presence of swelling of the fibers through absorption of fluid, the fiber radius and inter-fiber distance are modified, which strongly affects the imbibition dynamics. The presented experimental results are rationalized with a simple model based on linear poroelasticity.

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Constrained Reversible system for Navier-Stokes Turbulence

Sergio Chibbaro & Alice Jaccod
LISN & Sorbonne Universite

Following a Gallavotti's conjecture, steady solutions of Navier-Stokes fluids are proposed to be described equivalently by alternative equations. We discuss a model symmetric under time-reversal constrained to keep the Enstrophy constant. It is demonstrated through high-resolved numerical experiments that the reversible model evolves to a stationary state which reproduces quite accurately all statistical observables relevant for the physics of turbulence extracted by direct numerical simulations at different Reynolds numbers.

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Contrôle d'un écoulement autour d'un corps de type SUV par DNS et analyse POD

Stéphanie Pellerin, Bérengère Podvin, Malek Chihaoui
LISN, EM2C, ENSTA

L'écoulement autour d'un corps à culot droit de type SUV est contrôlé par DNS à l'aide du code Sunfluidh. Les contrôles appliqués reproduisent ceux de l'ENSTA (équipe Luc Pastur). En 2D, un soufflage est imposé à différentes positions sur le culot et certains phénomènes sont mis en évidence, comme la présence de deux régimes d'écoulement (petite et grande bulles de recirculation), et un phénomène d'hystérésis dans un cas mixte de soufflage haut/bas. En 3D, le soufflage est appliqué en haut du culot et permet d'éviter la bascule du proche sillage ou de recentrer celui-ci dans un cas basculé. Cette bascule est associé au caractère bistable de l'écoulement en 3D et aux modes de brisures de symétrie. L'écoulement dans tous les cas est analysé entre autres par POD.

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Deformation of a flexible fiber settling against obstacles in a viscous fluid

Ursy Makanga, Camille Duprat, and Blaise Delmotte
LadHyX, Ecole Polytechnique

The motion of flexible fibers often happens in complex media that are structured by obstacles, examples range from delivering drugs to tumor regions to papermaking process. Understanding how flexible fibers behave in a viscous flow embedded with obstacles is essential for the study of biological mechanisms and the design of industrial systems. Using a combination of numerical simulations and experiments, we analyze the dynamic of a flexible fiber settling in a viscous flow embedded with an obstacle. We identify different effects of the obstacle shape on the deformation of the fiber that involve different wrapping configurations, prolonged periods of trapping around the obstacle, and dispersion of the center of mass, which we quantify in terms of a lateral shift.

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Natural Convection in an Arbitrarily Inclined Box, Equilibria and Linear Stablity Analysis

Pierre-Emmanuel des Boscs, Giousef-Alexandros Charinti, Hendrik C. Kuhlmann
TU Wien, Institut of Fluid Dynamics and Heat Transfer ONERA DAAA-MSAE

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