Post-doctorat Agrégation et fragmentation de fibres flexibles en écoulement turbulent

Contexte : Fibres longues et flexibles en écoulement turbulent
La dynamique turbulente des fibres macroscopiques implique une interaction complexe entre translation et déformation à
plusieurs échelles spatiales et temporelles. Son étude présente un défi important par rapport aux objets microscopiques, dont
la déformation est principalement influencée par les gradients de vitesse. La compréhension du comportement des fibres macroscopiques en turbulence
reste largement inexplorée, malgré ses implications critiques pour les systèmes naturels (colonies planctoniques), les processus industriels
(fabrication du papier) et les préoccupations environnementales (débris plastiques dans les océans).
Les recherches antérieures sur la dynamique des fibres en turbulence se sont principalement concentrées sur des objets isolés, examinant
les mouvements de culbutage et de rotation1–3, les propriétés statistiques de déformation4,5 et les interactions avec des structures cohérentes6–8. Malgré ces
efforts, des questions fondamentales concernant la dynamique des fibres individuelles restent non résolues, et il existe une
lacune importante dans notre compréhension du comportement collectif des ensembles de fibres.
Ce poste postdoctoral fait partie d’un projet plus vaste visant à comprendre et à modéliser les processus de fragmentation
et d’agrégation des fibres. Le projet s’appuie sur une approche multidisciplinaire, combinant modélisation mathématique,
simulations numériques, physique statistique et expériences en laboratoire.

Objectifs : Processus de fragmentation et d’agrégation dans un environnement turbulent
L’objectif est de développer des modèles mésoscopiques à gros grains pour les fibres longues, fines et flexibles, telles que les corps élancés ou
les chaînes articulées, afin de rendre compte avec précision des ruptures, des nœuds, des interactions fibre-fibre et de l’enchevêtrement. Ces modèles
seront utilisés pour comprendre comment ces processus sont influencés par les fluctuations turbulentes, dans le but de fournir une
représentation statistique complète dans les écoulements idéalisés, avec et sans limites. Cela soutiendra le développement de
descriptions macroscopiques nécessaires pour aborder les évolutions globales à long terme dans des contextes réalistes.
Fragmentation – Des déformations turbulentes vigoureuses peuvent provoquer des ruptures de filaments en traction, en flexion ou en torsion9,10. L’objectif
est de comprendre comment ces ruptures dépendent d’aspects jusqu’alors négligés tels que la longueur et la masse finies des fibres,
les effets non markoviens dus à la plasticité et l’intermittence temporelle de l’écoulement du fluide. L’objectif est d’expliquer les distributions universelles
de fragments en abordant les questions clés suivantes :
X Comment les fibres de tailles inertielles se brisent-elles ? Ces ruptures sont-elles liées à des structures turbulentes ?
X Quel est l’effet de l’inertie, en particulier des ondes inertielles violentes, sur les processus de fragmentation ?
X Comment pouvons-nous tenir compte des déformations plastiques ? Les corrélations à long terme de la déformation du fluide ont-elles un impact ?
X Ces processus de fragmentation sont-ils génériques ? Entraînent-ils des distributions de tailles de fragments filles universelles ?
Nœuds, liens et enchevêtrement – ​​Dans les écoulements turbulents, les fibres peuvent s’assembler, se lier et former des boules denses11. Pour
les fibres plus longues, la non-linéarité de l’écoulement ou le flambage peuvent conduire à la formation de nœuds. En considérant les détails microscopiques de ces
processus, notre objectif est d’étudier comment la turbulence influence, amplifie ou affaiblit la formation d’agrégats et
de développer des modèles efficaces pour leur dynamique. Les questions clés incluent :
X Où et comment se forment les nœuds ? Leur topologie peut-elle être décrite statistiquement ?
X Existe-t-il des propriétés universelles dans la taille, la forme et la structure des agrégats ?
X Les fibres enchevêtrées peuvent-elles être décrites comme des objets poreux et déformables dotés d’une dynamique efficace ?

Méthodologie proposée
La méthode proposée consiste à utiliser des modèles simplifiés à gros grains de fibres, tels que la théorie des corps élancés et
les chaînes billes-ressorts utilisées dans la théorie cinétique des fluides polymères. Ces modèles seront implémentés dans
des codes spectraux hautement parallèles existants, capables de résoudre avec précision toute la complexité des écoulements turbulents. Les simulations
seront menées dans des géométries idéales, notamment la turbulence isotrope homogène, les écoulements en canal et les écoulements de Couette.
Les simulations de taille moyenne utiliseront le cluster HPC « Azzurra » de l’Université Côte d’Azur, tandis que les plus grandes et les plus
exigeantes en termes de calcul seront effectuées sur des centres de calcul nationaux.
Les résultats de simulation numérique seront validés par des collaborations expérimentales avec nos partenaires du projet. Les expériences
sont menées dans un écoulement turbulent de type von-Kármán par G. Verhille à l’IRPHE à Marseille et dans une configuration d’écoulement turbulent en canal
par C. Brouzet à l’INPHYNI à Nice. Ces configurations expérimentales fourniront des données critiques pour corroborer nos
résultats de simulation et affiner nos modèles.