IRL IFADyFE : Institut Franco-Argentin de Dynamique des Fluides pour l’Environnement

IRL IFADyFE entre Institut Jean le Rond ∂’Alembert (UMR 7190) et le CONICET / Universidad de Buenos Aires

Partenaires français du projet :

Nom du coordinateur : Thomas Séon (CR CNRS)

Laboratoire de rattachement du coordinateur :
Institut Jean le Rond ∂’Alembert (UMR 7190)
Sorbonne Université
4 place Jussieu, 75005 Paris
Institut CNRS : INSIS

Autres organismes et laboratoires :

Le nombre de chercheurs impliqués par laboratoire est indiqué en gras et la liste des chercheurs impliqués est donnée dans un document joint à cette fiche.
PMMH UMR 7636 – Physique et Mécanique des Milieux Hétérogènes (Paris) 4 FAST UMR 7608 – Fluides, Automatique et Systèmes Thermiques (Orsay) 3
IMFT UMR 5502 – Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse 2 IMSIA UMR 9219 – Institut des Sciences de la Mécanique et Applications Industrielles 1 LMFA UMR 5509 – Laboratoire de Mécanique des Fluides et Acoustique 3 LEGI UMR 5519 – Laboratoire des Écoulements Géophysiques et Industrielles 1
LP ENS Lyon UMR 5672 – Laboratoire de Physique de l’ENS de Lyon 1 IPR UMR 6251 – Institut de Physique de Rennes 1
Institut ∂’Alembert UMR 7190 – Institut Jean Le Rond d’Alembert 3
MSC UMR 7057 – Matière et Systèmes Complexes 1
LadHyX UMR 7646 – Laboratoire d’hydrodynamique de l’École Polytechnique 1

Partenaire(s) étranger(s) :

Pays concerné(s) : Argentine

Nom du coordinateur: M. Veronica D’Angelo (CONICET/UBA)

Organisme et laboratoire de rattachement du coordinateur :

CONICET / Universidad de Buenos Aires
Grupo de Medios Porosos,
Facultad de Ingeniería.

Autres organismes et laboratoires :

Le nombre de chercheurs impliqués par laboratoire est indiqué en gras et la liste des chercheurs impliqués est donnée dans un document joint à cette fiche.
LFD FI-UBA – Laboratorio de Fluidodinámica (Buenos Aires) 4 GMP FI-UBA – Grupo de Medios Porosos (Buenos Aires) 6 CEAN FI-UBA – Canal de Experiencias de Arquitectura Naval 1
DF FCEyN-UBA – Dept. de Física, Fac. de Ciencias Exactas y Naturales (Buenos Aires) 4
IBB – Universidad Nacional Entre Ríos (Entre Rios) 1 GMG INFAP Instituto de Física Aplicada / Universidad Nacional de San Luis 3

Programme scientifique :

Réduire la consommation énergétique d’un véhicule, concevoir des technologies efficaces de récupération d’énergie d’un fluide en mouvement ou améliorer l’efficacité d’un photo-bioréacteur sont quelques-uns des nombreux exemples d’ingénierie verte reposant sur la compréhension des écoulements en présence. Par ailleurs, un nombre incalculable de phénomènes naturels implique des
fluides en mouvement, à l’échelle de la planète (océans, atmosphère), d’une région (rivières, glaciers, volcans, pergélisol, nappes phréatiques) ou d’un gravier (goutte de pluie, pore d’un sol), et leur étude est nécessaire à la compréhension du système climatique terrestre, mais aussi à la prédiction des effets des catastrophes naturelles qui se multiplient et s’intensifient en conséquence du réchauffement climatique en cours.
Ces questions environnementales sont au coeur de la collaboration entre chercheurs français et argentins en mécanique des fluides depuis de longues années ; ce qui nous amène aujourd’hui à proposer la création du Laboratoire International de Recherche (IRL) Institut Franco-Argentin de Dynamique des Fluides pour l’Environnement. La création de cet IRL INSIS-CNRS conjoint avec le CONICET et l’Université de Buenos Aires (UBA) fait en effet suite à 40 années de collaboration autour de la physique et de l’hydrodynamique1, dont deux périodes du Laboratoire International Associé Physique et Mécanique des fluides (LIA PMF 2010-2017) suivi de l’IRP Ingénieries Vertes par la Mécanique des Fluides (IRP – IVMF 2018-2023). Ces travaux conjoints ont donné lieu, depuis 2009, à environ 80 articles publiés dans des revues internationales2. L’IRL proposé vise donc à pérenniser et à dynamiser encore les collaborations de recherche franco-argentines autour de problèmes de dynamique des fluides ayant des applications environnementales, en facilitant les échanges de scientifiques et d’étudiants entre nos institutions et en donnant accès aux installations de recherche du CONICET et de l’UBA.
Le programme scientifique de l’IRL sera dans la continuité de ce qui se faisait dans le cadre de l’IRP, il s’organise donc autour des lignes thématiques suivantes :
(i) Dynamique tourbillonnaire, vagues, et conversion d’énergie bio-inspirée

  • Mouvement et déformation de bulles dans des canaux de largeur variable
  • Dynamique tourbillonnaire
  • Récupération d’énergie des vagues océaniques et protection du littoral
    (ii) Turbulence dans les écoulements environnementaux
  • Écoulements atmosphériques et océaniques
  • Écoulements turbulents multiphasiques
    (iii) Transport dans les milieux poreux et fracturés
  • Transport de filaments et de particules en écoulements complexes
  • Transport de suspensions non Browniennes oscillantes denses
  • Dynamique du permafrost et conséquences des cycles de gel-dégel
    (iv) Écoulements granulaires et multiphasiques
  • Décharge de Silo
  • Rivière de glacier

Complémentarité des équipes :

Présentation succinctes des équipes et des installations de la UBA
Commençons par présenter les équipes et les installations des laboratoires argentins concernés :

  • Le Grupo de Medios Porosos (GMP, FIUBA) possède une vaste expérience de plus de 40 ans dans l’étude des écoulements dans les milieux poreux, les réseaux de canaux et les milieux granulaires. Il s’est notamment spécialisé dans l’étude et la caractérisation des milieux poreux modèles 2D (cellules Hele-Shaw) et 3D, en PDMS ou PMMA, et qui peuvent présenter des hétérogénéités ou des canaux à géométries complexes. Il possède trois canaux hydrauliques de grandes tailles (2m). Le GMP a réalisé de nombreuses études sur les écoulements mono et biphasiques, newtoniens et non-newtoniens, en milieux poreux, naturels et artificiels, ainsi que sur le transport et la dispersion des solutés. Le groupe a une grande expérience dans l’étude des instabilités hydrodynamiques, des angles de contact, tant statiques que dynamiques, de la mesure des épaisseurs de films liquides et des phénomènes de mouillage et de démouillage, des écoulements avec réaction-diffusion et dans la séquestration du CO2. Il est spécialisé en analyse d’images, photométrie, PIV et PTV, et maitrise parfaitement les techniques de conductimétrie et d’impédance. Le GMP a aussi une vaste expérience dans l’étude des milieux granulaires, notamment dans l’apparition des événements d’avalanches, la stabilité et la dynamique des écoulements granulaires en présence ou absence d’humidité, etc.
  • Le Laboratorio de Fluidodinámica (LFD, FIUBA) travaille depuis 25 ans sur différents sujets de la mécanique de fluides dont le contrôle d’écoulements en aérodynamique et hydrodynamique, l’influence de champs électriques, l’analyse d’instabilités dans les écoulements cisaillés, les problèmes d’écoulements en aval d’une éolienne, la formulation des modèles réduits et d’algorithmes d’optimisation par apprentissage. Il possède des souffleries de différentes tailles et maitrise plusieurs codes de simulations directes (DNS).
  • Le Canal de Experiencias de Arquitectura Naval (FIUBA) est un canal hydrodynamique à surface libre long de 72 mètres qui est essentiellement destiné aux expériences sur des modèles réduits de bateaux et les systèmes de propulsion. Il possède un générateur d’ondes qui permet de propager des vagues de différentes amplitudes et longueurs d’onde. Cela permet notamment de tester des dispositifs de récolte d’énergie de vagues.
  • Le Groupe Fluides et Plasmas (FLiP) de la Faculté des Sciences exactes et naturelles développe des activités de recherche en dynamique des fluides, tant expérimentales que numériques et tant fondamentales qu’appliquées. D’un point de vue numérique, le groupe effectue des simulations numériques directes (DNS) d’écoulements turbulents qui reproduisent des écoulements atmosphériques et océaniques. Pour cela, le groupe dispose de plusieurs codes numériques propres de type pseudospectral. Ils permettent d’inclure également des particules (Lagrangiennes ou inertielles) couplées à la dynamique des fluides pour étudier des situations de transport turbulent de matière, qui présentent un intérêt pour le transport de polluants (aérosols dans l’atmosphère), de nutriments (plancton en mer).

    Le groupe dispose aussi de 3 bancs expérimentaux où le transport turbulent de particules est étudié dans différentes configurations présentant un intérêt à la fois pour les écoulements atmosphériques et océaniques. Ces configurations incluent un écoulement turbulent de von Karman, un réservoir à surface libre pour étudier la turbulence des ondes, et une expérience de turbulence bidimensionnelle qui utilise de fines couches d’électrolytes forcées électromagnétiquement afin d’imiter les conditions de l’atmosphère terrestre. Des caméras rapides et des systèmes d’éclairage laser nous permettent d’utiliser les techniques adaptées à ces écoulements (DLP, PIV, PTV). L’échange actif entre ces composantes numériques et expérimentales est un atout fort de ce groupe.

Des expertises complémentaires et des bénéfices partagés

Le projet étant construit sur des collaborations existantes, la complémentarité des équipes a déjà été démontrée par le passé. Chacun des groupes argentins possède une expertise forte qui lui est propre et parfaitement complémentaire de celle des autres. La diversité des installations expérimentales et des compétences numériques est un atout fort de la recherche argentine en mécanique des fluides. La complémentarité entre les équipes argentines et françaises est tissée au cas par cas, mais nous pouvons noter deux points génériques :

  • Les laboratoires argentins de la Faculté d’Ingénierie de l’Université de Buenos Aires (FIUBA) apportent une compétence reconnue dans les domaines appliqués aux écoulements en milieux poreux (GMP-FIUBA) et au contrôle d’écoulement (LFD-FIUBA). La dynamique de collaboration de ces équipes avec les laboratoires FAST, IMSIA et PMMH français est déjà bien établie, et le choix de nouveaux axes de collaboration avec des chercheurs français de l’IMFT et de l’Institut ∂’Alembert et des chercheurs argentins de GTMC- FAMAF et IBB est prometteur.
  • L’équipe de la Faculté des Sciences Exactes et Naturelles (DF FCEyN-UBA), très impliquée dans la collaboration en mécanique des fluides entre la France et l’Argentine, est spécialisée dans l’étude des écoulements turbulents appliqués à l’environnement. Cette équipe reconnue internationalement sur cette thématique travaille en particulier avec les chercheurs du LMFA, LEGI et LP ENS Lyon.
    Pour la suite, nous nous appuierons sur les expertises des chercheurs des deux pays pour continuer à définir des sujets à l’interface de nos champs d’expertises. Dans l’ensemble, la complémentarité des équipements et des expertises entre les deux parties a toujours été au coeur du succès de cette collaboration, elle constitue donc la principale force de ce projet.

Rappel du contexte de la coopération et des relations existantes :

L’expérience de collaboration en mécanique des fluides entre la France et l’Argentine dure depuis plus de 40 ans. En 2010, une étape importante a été franchie avec la création du Laboratoire International Associé Physique et Mécanique des Fluides (LIA-PMF). Fort de son succès, il a été renouvelé une fois, pour s’achever en 2017 et donner lieu en 2018 à la création de l’IRP Ingénieries Vertes par la Mécanique des Fluides (IRP – IVMF) qui prendra fin en 2023. Ces programmes importants, associés à d’autres initiatives collaboratives, ont généré une très forte dynamisation des échanges engendrant une production scientifique importante. Depuis 2009, environ 80 articles issus de ces collaborations ont été publiés dans des revues internationales3, plusieurs thèses en cotutelle ont été soutenues, et plusieurs co-financements additionnelles ont été obtenus4. Par ailleurs, toutes ces années d’échange, de coopération et de formation ont forgé des contacts étroits, se traduisant aujourd’hui par un remarquable plurilinguisme des participants, fluidifiant nettement les échanges et facilitant l’intégration des nouveaux collaborateurs.
Au cours des deux périodes du LIA, les sujets d’études se sont peu à peu orientés vers des applications environnementales, si bien qu’en 2019, à la création de l’IRP IVMF, il a été naturellement décidé de coordonner les efforts de recherche autour des applications de la mécanique des fluides aux thèmes des énergies renouvelables, de l’utilisation durable des ressources et des technologies de protection de l’environnement. Avec la création de l’IRL nous souhaitons renforcer cette stratégie de recherche autour de l’ingénierie verte et l’élargir à l’étude des écoulements naturels. Ceci permettra de continuer à structurer les relations entre les chercheurs français et argentins en mécanique des fluides, de poursuivre et de consolider les collaborations existantes et d’encourager les nouvelles études autour de ces sujets, au large spectre d’applications et en lien direct avec les besoins de la société et de l’industrie de nos pays.
L’IRL pourra ainsi jouer un rôle de premier plan pour cultiver les partenariats scientifiques entre les deux pays et les échanges entre les deux communautés de mécaniciens des fluides, chercheurs et étudiants. Cet IRL sera l’aboutissement naturel de la collaboration scientifique entre la France et l’Argentine autour de la mécanique des fluides qui est née au début des années 80 et qui dure et prend de l’ampleur depuis lors.

Résultats attendus du projet :

Les sujets de mécanique des fluides que nous proposons ont un large spectre d’applications et sont en lien direct avec les besoins de la société et de l’industrie de nos pays. La politique scientifique que nous avons retenu a pour objectif de poursuivre la production de résultats en vue d’applications à l’ingénierie verte : énergies renouvelables, utilisation durable des ressources, protection de l’environnement… Cependant, les laboratoires et les chercheurs qui feront partie de l’IRL ou qui y seront associés, sont tous des chercheurs académiques spécialisés en recherche fondamentale. Notre activité passée et future est et sera donc principalement dédiée à la recherche amont. Depuis 2009 et la mise en place des premiers programmes de collaboration (LIA, IRP) environ 80 articles issus de ces collaborations ont été publiés dans des revues internationales et ceci restera la principale méthode de valorisation de nos travaux pour la suite de cette collaboration.
Un autre but que nous souhaitons afficher est celui de pérenniser des liens scientifiques grâce aux échanges au niveau doctoral et postdoctoral comme ça a été réussi par le passé. Pour citer quelques-uns parmi les jeunes, on pense notamment à des chercheurs français comme Thomas Duriez ayant fait une thèse en France et se sont établis ensuite en Argentine après une expérience réussie de postdoc, ou bien à des chercheurs argentins ayant fait leur thèse en France et travaillant maintenant en Argentine comme Lucrecia Roht.

Perspectives industrielles ou attendues du projet :

Bien que notre objectif principal soit de faire avancer les aspects de recherche fondamentale, plusieurs thèmes du projet ont des applications industrielles potentielles. Nous n’avons pas actuellement de partenaires industriels identifiés, mais des perspectives pour les prochaines années dans le cadre de l’IRL pourraient être envisagées, notamment dans les domaines des énergies renouvelables et de la remédiation climatique.

Avantages attendus de la collaboration pour le/les laboratoire(s) français :

Faire fructifier 40 années de collaboration
La recherche scientifique d’excellence implique de travailler à l’échelle internationale et de collaborer avec des partenaires du monde entier. Nous avons ici une occasion unique de construire un Laboratoire de Recherche International en s’appuyant sur un socle solide de collaborations ancrées entre la France et l’Argentine.
Après 25 ans de collaborations qui ont permis de poser les bases des relations franco-argentines en mécanique des fluides, et qui ont notamment générés un remarquable biculturalisme et bilinguisme de nombreux participants, les différents outils CNRS de structuration des partenariats à l’international ont permis d’atteindre ce que nous croyons être le niveau de relation international requis pour créer le premier Laboratoire de Recherche International en mécanique des fluides de l’INSIS.
La mise en place d’un IRL permettra de faire connaitre plus largement cette collaboration historique, de la pérenniser tout en la stimulant, de renforcer son attractivité, et de favoriser une nouvelle dynamique, au-delà des collaborations initiales, vers une nouvelle génération de scientifiques désireux de poursuivre et d’étendre ces interactions.
Par ailleurs, cela fluidifiera encore les discussions et les échanges, et donnera aux chercheurs français un accès plus simple aux installations de recherche du CONICET et de l’UBA. L’IRL élargira enfin nos possibilités de demandes de financements et permettra d’améliorer la qualité et la portée de nos recherches.
Enfin, en rendant notre travail collaboratif plus visible sur les scènes nationale et internationale, nous espérons voir émerger de nouvelles collaborations, avec des groupes français mais aussi avec des partenaires à l’étranger. Nos collègues argentins ont de nombreuses collaborations internationales, avec le Brésil par exemple, dont nous bénéficierons.
Un positionnement scientifique et géographique unique au sein de l’INSIS
Plusieurs collègues au sein de quelques laboratoires de mécanique des fluides français s’intéressent à des thématiques environnementales, cependant il n’existe pas de laboratoire de mécanique des fluides (INSIS) qui a fait le choix d’une politique scientifique tranchée vers des préoccupations environnementales. Au vu de l’évolution naturelle des sujets de recherche au sein de notre consortium, et grâce à la flexibilité des outils de structuration du CNRS, il nous parait légitime que l’IRP IVMF donne lieu à un IRL avec une telle politique scientifique.
Au-delà des goûts et des attraits naturels des chercheurs qui ont amené ce positionnement stratégique, l’Argentine est un endroit particulièrement adapté pour mener de telles recherches. En effet, entre sa taille (2800000km2), sa géographie (de la cordillère des Andes à l’océan Atlantique) et sa position latitudinale (22e au 56e degré) elle est frappée de plein fouet par le réchauffement climatique5. Par ailleurs, l’Argentine possède une diversité géographique privilégiée (côtes océaniques, chaînes de montagnes, savanes, volcans, glaciers, déserts…), qui permet d’avoir accès à l’observation de systèmes naturels très différents. L’IRL constituera donc pour les chercheurs français un centre d’observation privilégié, en particulier pour l’étude des nombreuses conséquences du changement climatique en cours.
D’autre part, l’Argentine possède de vastes zones où se déploient des projets d’énergies renouvelables de grande envergure. Un exemple est le projet Pampa Azul6, une initiative du gouvernement argentin qui articule des actions de recherche scientifique et d’innovation pour fournir des bases scientifiques aux politiques océaniques liées, entre autres, à l’utilisation durable des ressources marines, au changement climatique et à la gestion des risques. L’IRL offrira une proximité inédite avec ces initiatives et une opportunité de pouvoir collaborer avec ses principaux acteurs.
Enfin, en plus des différents laboratoires qui possèdent une grande expérience de recherche en mécanique des fluides appliquée à l’ingénierie et à la physique, il y a en Argentine une culture établie de recherche sur les questions environnementales, notamment illustrée par l’IRL IFAECI (Institut Franco-Argentin d’Études sur le Climat et ses Impacts, piloté par l’INSU au CNRS et dont l’Institut de Recherche pour le Développement (IRD) est aussi partenaire) qui existe depuis 20107 et avec qui nous serons heureux de collaborer dans le futur.
Finalement, en plus de donner un cadre aux collaborations existantes pour qu’elles continuent à prospérer et de profiter de leur dynamisme, cet IRL nous permettra de prospecter localement, en Argentine et plus largement en Amérique du Sud, pour nourrir de nouvelles initiatives de recherche tournées vers des applications en phase avec les enjeux stratégiques de la France.

L’international, un atout pour la formation doctoral
L’IRL permettra de créer l’environnement idéal pour proposer des doctorats. La perspective de pouvoir collaborer avec des chercheurs argentins et de pouvoir faire un séjour doctoral en Argentine constitue une forte source de motivation pour des étudiants français en recherche de doctorat, elle permettra donc sans aucun doute d’attirer plus d’étudiants dans nos laboratoires français. Naturellement, la réciproque est vrai d’Argentine vers la France et accroît encore le nombre de doctorants potentiels. L’opportunité pour ces étudiants est remarquable, ils recevront une formation à la recherche internationale d’excellence dans un environnement biculturel et plurilingue, tout en profitant de l’expertise de groupes complémentaires et du réseau international intrinsèque à une telle expérience. Nous nous attendons ainsi à augmenter fortement la sélectivité ainsi que l’excellence de nos formations doctorales.

Apports dans le projet du/des laboratoire(s) français :

L’IRL aura pour objectif de faire vivre la collaboration franco-argentine en mécanique des fluides pour l’environnement, à ce titre une partie de ces fonds sera dédiée au financement des missions des chercheurs faisant partie de cette collaboration. Ainsi les laboratoires français continueront de recevoir des chercheurs argentins et de partager de cette manière ses équipements et l’expertise de ses chercheurs8. Dans la suite nous décrivons succinctement les expertises concernés des laboratoires français impliqués :
PMMH : Expertise en instabilités hydrodynamiques, écoulements à surface libre, tunnels hydrodynamiques, cuves à ondes, système de PIV stéréo, mesures de force.
FAST : Expert en visualisation petite échelle des phénomènes observés dans les milieux poreux et granulaires. Expertise en modélisation des écoulements par des méthodes de gaz sur réseau.
IMSIA : Expertise sur la modélisation des écoulements instationnaires et incompressibles par DNS 3D permettant de rendre compte des frontières déformables. Modélisations des écoulements par méthode POD (décomposition en modes propres orthogonaux) ou des modèles réduits.
IMFT : Expertise expérimental et théorique concernant les instabilités de sillage de bulles.
LMFA : Approche stochastique pour la simulation de turbulence en interaction avec des particules par des méthodes des type LES (Large-Eddy Simulation).
LEGI : Expertise expérimentale dans l’étude de la turbulence.
LP ENS Lyon : Expertise dans la simulation numérique directe de la turbulence.
IPR : Expertise sur la modélisation numérique des écoulements granulaire par méthode DEM (Discrete Element Method).
Institut ∂’Alembert, MSC, LadHyX : Expertise dans la modélisation expérimentale et théorique des écoulements diphasiques complexes et des changements de phase.

Apports dans le projet du/des laboratoire(s) étrangers :

Les équipements et savoir-faire des équipes et des laboratoires argentins qui participent au projet9 sont au coeur de la réussite de ce projet. Ceux de l’UBA sont décrits plus haut et tous sont résumés succinctement dans la suite :
LFD FI-UBA : Soufflerie et tunnels hydrodynamiques, PIV, expertise expérimentale sur le contrôle par actuateurs plasma, instabilités hydrodynamiques, modèles réduits, apprentissage automatique appliqué.
GMP FI-UBA : Accès à trois canaux hydrauliques de grandes tailles (2m). Expertise dans la modélisation des milieux poreux, réseaux de canaux, granulaires et des écoulements de fibres.
CEAN FI-UBA : Accès au canal hydraulique de grande taille (72m) avec génération de vagues régulières.
DF FCEyN-UBA : Expertise sur la modélisation de la turbulence par DNS de grande taille (3072^3) utilisant un code spécialement développé et adapté à ce type d’étude. Cuves à ondes de surfaces, métrologie de la déformation de surface libre.
IBB/GTMC FAMAF : Expertise dans le rôle des bactéries dans les propriétés physiques du sol et des milieux poreux environnementaux.
GMG INFAP : Expertise et dispositif d’écoulements granulaires spécifiques.


    Participants

    • Thomas Séon, Coordinator France
    • Veronica D’Angelo, Coordinator Argentina