Séminaires donnés au LEMTA depuis 2008

L’Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) est une technique non destructive d’abord développée dans le domaine biomédical, mais moins répandue dans le génie civil. Malgré les difficultés que présentent les matériaux cimentaires (teneur en fer, rigidité, faible teneur en eau, …), la Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) permet une approche originale des matériaux cimentaires.
Les propriétés physiques et mécaniques des matériaux à matrice cimentaire sont étroitement liées aux processus d’hydratation du ciment (microstructure, porosité, teneur en eau). C’est un matériau complexe, tant au niveau de sa chimie que de son réseau poreux. De nombreuses contraintes (écologiques, résistance…) poussent au développement de nouveaux matériaux encore plus complexes (béton auto-plaçant, bétons ultra-haute performance, bétons vert…) enfin, c’est un matériau « vivant » dont la chimie évolue naturellement, et en réaction aux sollicitations extérieures (température, HR, pollution, efforts…). Dans une optique tant économique que écologique, il est important de bien évaluer la durabilité du matériau. La teneur en eau et la distribution poreuse sont considérées comme de bons indicateurs de la durabilité.

Notre appareil permet d’étudier le proton, et donc l’eau des échantillons. Les deux méthodes que nous utilisons pour sonder les matériaux cimentaires sont :
-    l’imagerie SPI (Single Point Imaging) qui permet de suivre la teneur en eau avant / après prise. Application : suivi de l’avancement de l’hydratation, visualisation du séchage, observation de problèmes de sédimentation, imbibition, carbonatation…
-    la relaxation T1 (séquence Inversion-Récupération) permet de suivre la structuration de la pâte avant prise, et sonde le milieu poreux après la prise.

Dans un premier temps seront exposés les principes de l’IRM et les deux méthodes que nous avons utilisées pour l’étude des  matériaux cimentaires (imagerie SPI, relaxation T1), ainsi que les caractéristiques des matériaux cimentaires, les enjeux. Enfin, seront présentés les apports de l’IRM pour l’étude de ces matériaux au travers de quelques applications menées au LMSGC.

Les prothèses cardiovasculaires textiles sont des structures tissées ou tricotées à partir de filaments de polyester. Elles sont employées pour dériver la circulation du sang ou pour remplacer les vaisseaux sanguins défaillants. L’effet de la paroi de la prothèse sur l'écoulement du sang est un paramètre important à prendre en compte lorsqu’il s’agit d’étudier l’écoulement dans ces structures. Afin de coupler l’écoulement dans la prothèse et sa déformation sous l’effet d’un flux, un code de calcul numérique par éléments finis a été utilisé pour simuler l'interaction fluide-structure. Un modèle théorique, basé sur des hypothèses d'élasticité, et un dispositif expérimental permettant un écoulement pulsé ont été employés pour étudier le comportement mécanique d'une prothèse tricotée.

Les prothèses ligamentaires utilisées pour remplacer le ligament croisé antérieur (LCA) sont des structures tressées, tissés ou tricotés à partir de multifilaments synthétiques. Elles doivent répondre à des exigences mécaniques complexes afin de jouer correctement leur rôle de stabilisateurs de l’articulation. Un banc d’essai de fatigue simulant le mouvement du genou a été conçu et développé. Il permet d’appliquer des sollicitations cycliques et simultanées (traction, flexion, torsion et abrasion) au ligament artificiel.

L’analyse mathématique rigoureuse de problèmes d’interaction entre un solide et un fluide visqueux  qui l’entoure est une problématique assez récente. Les premiers travaux dans ce sens et utilisant les équations de Navier-Stokes d’évolution datent de 1998. 
Dans cette présentation, après avoir brièvement évoque les défis mathématiques posés par ce problème, nous introduisons une méthode de type Lagrange-Galerkin pour simuler les mouvements des solides à l’intérieur d’un fluide visqueux incompressible. Un des intérêts de cette méthode est le fait qu’elle utilise un maillage fixe, en évitant les techniques assez couteuses de type ALE. Les principales applications sont les mouvements des rigides à l’intérieur d’un fluide ou les mouvements autopropulsés de type « poisson » (voir figure ci-dessus). 
Un de nos objectifs à long terme est la réalisation d'un objet virtuel qui pourrait commander la position et la vitesse à l'intérieur d'un fluide, avec comme seul contrôle la variation de sa forme.

Maître de Conférences en délégation au LEMTA

Méthode ALE appliquée aux écoulements de film liquide

Ingénieur de recherche au BRGM d’Orléans

L’excès de charges négatif à la surface des minéraux argileux ainsi que leur très grande surface spécifique confèrent aux milieux riches en argile des propriétés de transport très favorables pour le stockage des déchets radioactifs de haute activité et à vie longue. Le principal mécanisme de migration des radionucléides correspond à leur diffusion au sein de la formation argileuse en raison de la très faible conductivité hydraulique du milieu. Un modèle de transport incluant explicitement les propriétés électrochimiques de l’interface minéral/solution pour des milieux argileux compacts a été développé et validé par des expériences en laboratoire (mesures des potentiels électriques liés aux perturbations salines et hydriques). Un modèle de triple couche électrique à l’interface minéral/solution a aussi été élaboré. Les applications concernent plus particulièrement l’étude de l’influence des phénomènes de transport couplés de nature électrique notamment et associés aux interfaces sur la diffusivité ionique dans les milieux argileux (argilites, mais aussi bentonite). Le modèle développé a aussi permis de déterminer les surpressions observées dans les argilites et la composition de l’eau interstitielle en incluant la composition ionique dans les micropores influencés pas les interfaces. La polarisation induite spectrale est une méthode se référant à la mesure de l’amplitude de la conductivité complexe et de la phase entre un courant électrique injecté à une fréquence donnée (du mHz à quelques kHz) et la différence de potentiel électrique induite. Cette méthode possède beaucoup d’applications, notamment pour estimer les paramètres hydrauliques et physico-chimiques du milieu poreux. Afin d’étudier ces mécanismes de polarisation, des mesures de polarisation induite spectrale ont été effectuées sur des billes de verre. Une dispersion des propriétés électriques suivant la fréquence investiguée est observée. Un modèle de polarisation induite spectrale associé à un modèle d’interface minéral/solution est proposé afin de simuler ces observations. Le modèle est aussi appliqué pour les argiles (kaolinite, smectite, illite), à l’état de gel ou compacté.

- Invité par Christian Moyne

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Jeudi 6 Novembre 2008

Université Paris-Est Marne-la-Vallée, Laboratoire de Modélisation et Simulation Multi Echelle

In a typical pin-loaded joint used to assemble tempered glass plates, the hole in a glass plate is reinforced by a steel ring glued to the glass plate via a soft resin layer. Thus, the ring is in direct contact with the steel bolt and prevents the glass plate from high stress concentration. This work proposes a general analytical approach to solving the resulting conforming unilateral contact problem. The strain and stress fields inside the resin layer are first determined by exploiting the fact that the stiffness of the material constituting it is much smaller than the one of steel or glass. After finding the relevant Green functions for the ring and pin, the frictionless contact between them is then formulated in terms of an integral equation with a Fourier series as the kernel. In the case of elastic similarity characterized by the zero second Dundurs’ constant, the integral equation is solved by neglecting the terms of high orders and transforming it into the Cauchy singular integral equation. In the case of elastic dissimilarity defined by a non-zero second Dundurs’ constant, the question of obtaining a closed-form solution to the integral equation is quite tough, and an approximate analytical method which consists in minimizing an error function is elaborated to give a meaningful answer to the question. The derived closed-form solutions, valid not only for the conformal contact between a pin and an infinite holed plate but also for the one between a pin and a finite holed plate, are shown to be in very good agreement with available numerical results.

-Invité par Jean-François Ganghoffer

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Jeudi 13 Novembre 2008

Department of Mathematics & Mechanical Engineering
University of British Columbia - Vancouver

We consider laminar displacement flows in narrow eccentric annuli, oriented horizontally, between 2 fluids of Herschel-Bulkley type, (i.e., including Newtonian, power law and Bingham models). This situation is modeled via a Hele-Shaw approach. Whereas slumping and stratification would be expected in the absence of any imposed flow rate, for a displacement flow we show that there are often steady state traveling wave solutions in this displacement. Surprisingly these may exist even at large eccentricities and for large density differences between the fluids. When heavy fluids displace light fluids, annular eccentricity opposes buoyancy and steady states are more prevalent than when light fluids displace heavy fluids. For large ratios of buoyancy forces to viscous forces we derive a lubrication-style displacement model. This simplification allows us to find necessary and sufficient conditions under which a displacement can be steady, which can be expressed conveniently in terms of a consistency ratio. It is interesting that buoyancy does not appear in the critical conditions for a horizontal well. Instead a competition between fluid rheologies and eccentricity is the determining factor. Buoyancy acts only to determine the axial length of the steady state profile.

-Invité par Cherif Nouar

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Jeudi 5 Février 2009

Professeur à l'université de Strasbourg, chercheur à l'IMFS

Dans de nombreux écoulements, la transition à la turbulence ne peut être expliquée en termes d'instabilités linéaires. Il s'agit, notamment, d'écoulements restant dans toutes les conditions linéairement stables comme c'est le cas de l'écoulement en tuyau. La seule explication qui s'impose est que ces écoulements répondent fortement aux excitations externes d'amplitude finie. Alors que dans le domaine expérimental il s'agit d'une hypothèse qui reste encore à prouver, dans le domaine des simulations directes de la turbulence la nécessité d' « entretenir » la turbulence par des excitations a été reconnue depuis longtemps. Les jets« évoluant dans l'espace » (c'est à dire sans périodicité spatiale) représentent un exemple typique. Le plus souvent, les jets sont numériquement excités par l'addition d'une perturbation aléatoire
en entrée (à la buse). Il est bien connu que, dès que l'excitation est arrêtée, le jet « relaminarise ». La turbulence observée représente donc une réponse à une excitation aléatoire agissant en permanence sur l'écoulement.

Une fois admis le caractère stochastique du phénomène, il s'impose de proposer un formalisme établissant un lien entre la caractérisation statistique de l'excitation et celle de la solution obtenue. L'importance de chacune séparément a été bien reconnue. Notamment, le post-traitement des simulations directes de la turbulence à l'aide de la décomposition orthogonale propre (décomposition Karhunen-Loeve) consiste à calculer la matrice de corrélation (spatiale ou temporelle) des variables aléatoires constituant la solution. Le lien direct entre les statistiques de la solution et celles de l'excitation n'a cependant jamais été quantitativement donné.

La présentation a pour objectif de démontrer qu'il est, sous certaines hypothèses, possible d'obtenir la caractérisation statistique de la solution d'une simulation directe à partir de celle de l'excitation sans passer par la résolution des équations de Navier-Stokes et par la décomposition orthogonale propre. Cette alternative est donnée par l'équation de Lyapunov. Dans un premier temps, nous établirons l'équation de Lyapunov dans le contexte d'un système linéaire à faible nombre de degrés de liberté excité par un terme aléatoire gaussien et nous montrerons que sa solution permet d'éviter l'accumulation laborieuse et peu fiable des échantillons statistiques. Au passage, nous illustrerons le lien avec le formalisme des modes optimaux. Dans un deuxième temps, nous aborderont la question de la pertinence du formalisme établi dans le contexte de la turbulence. Nous montrerons qu'un jet rond modérément excité présente une turbulence explicable comme une réponse, essentiellement linéaire, aux excitations imposées et nous comparerons les modes les plus énergétiques obtenus par le décomposition orthogonale à ceux résultant de la solution de l'équation de Lyapunov.

Hormis l'aspect pratique de l'accès direct aux statistiques d'un champ turbulent, le formalisme discuté fournit un cadre théorique rigoureux pour la description de la réceptivité aux excitations aléatoires et ouvre très vraisemblablement la voie vers une technique fiable de réduction du modèle et vers un contrôle optimal simplifié de
la turbulence ainsi excitée.

-Invité par Emmanuel Plaut

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Jeudi 26 Mars 2009

Academy of sciences, Sofia, Bulgarie

-Invité par Jean-François Ganghoffer

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Jeudi 7 Mai 2009

Maître de conférence
Equipe Adsorption sur Solides Poreux Institut Carnot de Bourgogne UMR 5209 CNRS-Universite de Bourgogne, Dijon
Non-equilibrium thermodynamics group, Chemistry department, NTNU, Trondheim, Norway

La surface entre deux phases possède des propriétés dynamiques et thermodynamiques distinctes des phases qu’elle sépare. En particulier c’est le lieu où sont gérés les échanges de masse et d’énergie entre les deux phases que ce soit dans les conditions d’équilibre ou bien dans les conditions de rupture d’équilibre.
A travers certains exemples simples issus de simulations par dynamique moléculaire j’aborderai la notion d’interface d’un point de vue thermodynamique et dynamique. Je justifierai l’utilisation de la thermodynamique des processus irréversibles dans la description des phénomènes d’évaporation-condensation. Plus particulièrement, je reviendrai sur l’exemple des interfaces liquide-vapeur de systèmes atomiques et moléculaires [1] et sur la physisorption de n-alcanes sur des zéolites [2], cf. figure. L’étude de ces systèmes a permis de souligner les très forts couplages entre les transferts de masse et de chaleur aux interfaces qui peuvent limiter les cinétiques. Elle peut aussi constituer une piste d’évaluation d’une meilleure description des effets des « frontières» dans des approches macroscopiques, approche mécanicienne de type élément finis. Configuration d’équilibre du système silicatite (rouge et jaune) et n-butane (gris). Les molécules de n-butane sont localisées dans la phase gaseuze et adsorbées sur la surface externe de la zéolithe et à l’intérieur des pores. Les molécules étant en perpétuel mouvement, l’équilibre est atteint quand le nombre de molécules qui quittent la zéolithe vers la phase gazeuse à travers la surface externe est égal statistiquement au nombre de molécules qui y rentrent.

[1] Interface Film Resistivities for Heat and Mass TransferssIntegral Relations Verified by Non-equilibrium Molecular Dynamics, J.M. Simon, D. Bedeaux, S. Kjelstrup, E. Johannessen, J. Phys. Chem. B, vol. 110, p. 18528 (2006).
[2] Transport coefficients of n-butane into and through the surface of silicalite-1 from non-equilibrium molecular dynamics. I. Inzoli, S. Kjelstrup, D. Bedeaux, J.M. Simon, Microporous Mesoporous Materials (sous presse).

-Invité par Olivier Lottin

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Mercredi 20 Mai 2009

La transition vers la turbulence en conduite cylindrique est un phénomène encore peu compris à l'heure actuelle, aussi bien d'un point de vue quantitatif que qualitatif. L'écoulement de Hagen-Poiseuille est linéairement stable, et la transition apparaît comme sous-critique. La simulation numérique directe de l'écoulement montre que le système, proche du seuil de transition, approche de manière transitoire des solutions d'amplitude finie du type ondes progressives avant de devenir turbulent [1]. Ces « états limites » peuvent être identifiés numériquement via une méthode de Newton-Krylov. Ils sont tridimensionnels, instables et dynamiquement déconnectées de l'état de base. L'interprétation sous-jacente en termes de systèmes dynamiques peut être étendue au cas de conduites cylindriques longues devant leur diamètre, où les ondes progressives pertinentes sont localisées dans la direction axiale. L'instabilité des états limites permet alors d'étudier de façon reproductible la dynamique lors de l'expansion spatiale des bouffées turbulentes observées expérimentalement.

 

Champ de vitesse d'une onde progressive

 

-Invité par Emmanuel Plaut

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Jeudi 28 Mai 2009

Cette étude présente une démarche expérimentale originale permettant de sonder la dynamique de l’eau dans les membranes polymères échangeuses d’ions utilisées pour l’application pile à combustible. Grâce à l’utilisation de différentes techniques expérimentales complémentaires, la diffusion des molécules d’eau a été suivie à l’échelle moléculaire (diffusion quasi-élastique des neutrons ; 1 ps <τ< 1 ns), à l’échelle macroscopique (RMN à gradient de champ pulsé ; 1 ms <τ < 1 s) et à l’échelle dite « intermédiaire » (relaxométrie RMN ; 1 ns <τ< 10 μs). Les expériences ont été menées en fonction de la quantité d’eau adsorbée, dans la membrane Nafion® et dans des polyimides sulfonés naphtaléniques. L’analyse des données expérimentales permet de préciser les échelles spatiales des ralentissements de la diffusion dans les deux matériaux, ainsi que de mettre en évidence les aspects structuraux qui permettent à l’eau d’être plus mobile dans le Nafion® que dans les polyimides sulfonés, et ce, quelle que soit la teneur en eau.

 

 

-Invité par Feina Xu

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Jeudi 26 Novembre 2009

 

The presentation gives an overview on the problems addressed and the methods used in the numerical simulation department at the Fraunhofer Institute for high-speed dynamics, Ernst-Mach-Institute (EMI). Typical Problems are crash and impact, propagation and effects of shock waves in fluids and solids and dynamic fluid-structure interaction . The central simulation tools are Hydrocodes, a special class of numerical solvers for highly non-linear problems. In the context of solid mechanics, modeling of material failure under dynamic loads is the most important and, at the same time, most difficult issue. As examples of current research, the modeling of adhesives in car crash analysis and the failure of composites under ballistic impact are presented, along with short a overview on multiscale material modeling approaches which are currently being developed.

-Invité par Jean-François Ganghoffer

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Vendredi 11 Décembre 2009

-Invité par Michel Gradeck

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Jeudi 17 Décembre 2009

-Invité par Cherif Nouar

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Jeudi 28 Janvier 2010

 

Les renforts fibreux subissent de grandes transformations lorsqu’ils sont mis en forme au cours de procédés de fabrication visant l’obtention de matériaux composites. Ces renforts sont essentiellement hétérogènes, élastiques et anisotropes. Ces spécificités combinées sont sources de fortes non-linéarités à prendre en compte dans les modèles constitutifs alimentant les simulations numériques. La représentation continue équivalente du comportement anisotrope peut alors s’orienter vers trois classes de modèles radicalement différentes : l’hypo-élasticité, l’élasticité non-linéaire ou l’hyper-élasticité.
Après une revue de l’historique de l’élasticité en grandes transformations, c’est la classe de modèles hypo-élastiques qui est discutée dans ce séminaire, en présentant la classique formulation en solide suiveur euclidien (« école Paul Rougée »), appelée aussi formulation en référentiel tournant (« école François Sidoroff »). Cette dernière permet la construction d’un milieu continu équivalent orthotrope fibreux basée sur la rotation d’une fibre unique, nécessaire pour le calcul des mèches en grandes transformations qui n’est pas possible par défaut, il est important de le souligner, avec les codes de calcul du marché.
En généralisant cette formulation à des solides suiveurs non-euclidiens, on construit une théorie de milieu continu équivalent anisotrope fibreux basée sur la convection de deux ou trois fibres. L’originalité réside dans la convection des axes constitutifs et le cumul tensoriel des déformations qui ne se font plus dans un solide suiveur euclidien mais dans des référentiels affines, c'est-à-dire non-rigides, suivant les directions d’anisotropie. De plus, le tenseur des contraintes devient également affine et modélise des efforts sur un élément de matière déformé et non plus un cube rigide tournant.
Pour illustrer le propos, des simulations numériques sont effectuées dans le code de calcul industriel Abaqus/Explicit. Notamment, les deux théories sont soumises au test CSE (Cisaillement Simple - Extension) qui permet de vérifier la physique élémentaire d’un modèle, vérification de base trop souvent éludée, puis à la mise en forme d’un flanc tissé sur dôme hémisphérique.

-Invité par Jean-François Ganghoffer

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Jeudi 11 Février 2010

 

 

 

 

Les éventuels continus macroscopiquement équivalents et leurs domaines de validité sont obtenus par la méthode d’homogénéisation de structures périodiques. Après une présentation de la méthode, de son potentiel et de ses limites, on donnera quelques applications sur:

 

 

 

- les transferts thermiques dans un matériau composite avec résistance de contact.   - le domaine de validité de la loi de Brinkman, un hybride en vogue Stokes-Darcy.

-Invité par Christian Moyne

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Jeudi 18 Février 2009

 

L’exposé présente une partie des résultats obtenus dans un contrat de recherche initié au niveau national de Roumanie par notre laboratoire pour la proposition d’un nouvel éco- réfrigérant, en concordance avec l’ACQUIS sur l’environnement de l’Union Européenne, conformément aux Protocoles de Montréal et de Kyoto. Les participants dans cette recherche furent : notre laboratoire, un laboratoire de l’Université de Pétrole et Gaz de Ploiesti et l’entreprise roumaine de production et de distribution des HCs.
Pour la substitution des frigorigènes polluants de type CFC, HCF et HCFC, nous proposons une nouvelle famille d’éco-réfrigérants obtenue à basse du mélange entre les HCs de type C3 (R290) et C4 (R600). Etant un mélange de fluides naturels à faible toxicité, il a les potentiels : zéro ODP et négligeable GWP, il est plus écologique, tout en ayant des propriétés thermodynamiques meilleures que d’autres réfrigérants, dont ceux acceptés maintenant par la législation en vigueur. Hormis ses problèmes d’inflammabilité légère dans l’aire, qui oblige des mesures spécifiques, si on ajoute leur bonne compatibilité avec les matériaux et les lubrifiants dans les installations frigorifiques à compression des vapeurs, il représente une solution viable et avantageuse pour la substitution des HCFS de nos jours. On propose l’utilisation du mélange de R290 et R600 comme éco-réfrigérant dans les installations frigorifiques à compression mécanique de vapeurs de petite et de moyenne puissance, équipant les systèmes frigorifiques ménagers, commerciaux et de climatisation.

-Invité par Michel Feidt

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Jeudi 25 Février 2010

-Invité par Michel Feidt

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Mercredi 3 Mars 2010
(09:00-12:00, salle Gallé, Bâtiment de la Présidence de l'INPL)

Confériencier invité par l'ED EMMA