Section 10 Milieux fluides et réactifs : transports, transferts, procédés de transformation

I. Dynamique des fluides

A. Introduction

1. Une discipline profondément renouvelée

Définir la dynamique des fluides est un exercice difficile compte tenu de la variété des recherches qui aujourd'hui émargent à la discipline. En effet, de nouvelles applications et de nouveaux domaines de recherche tendent à élargir cette définition au-delà du cadre classique des milieux en écoulement dans le cadre de l'approche du continu. Longtemps motivée par les applications à l'aéronautique, à l'hydraulique, et à la météorologie, le cœur de la discipline portait sur les propriétés des écoulements turbulents. Sous l'impulsion de plusieurs écoles de pensée fécondes, tout particulièrement en France (physique non-linéaire, mathématiques appliquées, physique de la matière molle), elle a considérablement évolué au cours des deux ou trois dernières décennies. Les problématiques multiphasiques en général et celles liées aux effets de surface et d'interface en particulier (bulles, gouttes, mouillage) ont pris une ampleur considérable. Les écoulements de fluides complexes (gels, suspensions, émulsions, milieux granulaires...) sont devenus un sujet d'étude très actif. Les questionnements liés à la turbulence et aux instabilités (domaine très actif au cours des décennies 1980-1990) se sont ouverts vers des systèmes mettant en jeu des couplages complexes ainsi que vers les problématiques du contrôle. La dynamique des fluides s'est également largement tournée vers les sciences du vivant (circulation sanguine, dynamique des globules et des cellules, propriétés de vol ou nage des animaux ou organismes...).

2. Des applications variées adossées à une recherche amont forte

La dynamique des fluides trouve des champs d'application directs dans de nombreux domaines en prise directe avec des problèmes sociétaux : les différents modes de transport (propulsion, sustentation, réduction de traînée...), la production et le transport des énergies fossiles (pétrole...) ou renouvelables (hydroliennes, éoliennes,..), l'environnement (transport de polluants...), les matériaux (élaboration, mise en forme...), les procédés de séparation et de mélange, la biologie et enfin les sciences de la Terre et de l'Univers (météorologie, océanographie, planétologie...). À côté de ces applications, la discipline développe dans une dynamique propre une recherche fondamentale forte en lien étroit avec la physique, la physico-chimie, les mathématiques appliquées ou encore la géophysique et l'astrophysique. C'est d'ailleurs sans doute davantage par ces thématiques amont que par les secteurs applicatifs que la communauté se reconnaît et se structure aujourd'hui.

B. Thématiques et axes de développement

1. Turbulence et phénomènes associés

La turbulence reste évidemment au cœur de la discipline mais les problématiques abordées ont sensiblement évolué au cours des vingt dernières années. De nombreuses recherches se concentrent actuellement sur la nature et l'organisation des transferts entre échelles dans des situations anisotropes, en présence d'effets tels que la stratification en densité, la rotation en bloc ou le couplage avec les effets magnétohydrodynamiques, en relation avec des problématiques géophysiques. Parallèlement, les recherches sur la turbulence de paroi à grand nombre de Reynolds restent actives grâce à l'augmentation des performances des moyens d'investigation (PIV haute cadence, simulation directe massive). La compréhension des caractéristiques du mélange de scalaires passifs (température, espèces chimiques) et surtout du transport de particules matérielles (particules solides, bulles) par la turbulence constitue un domaine actuellement très actif avec des questions portant sur l'accumulation de ces particules dans certaines régions privilégiées de l'écoulement, la nature de l'agitation qu'elles induisent et les modifications qu'elles apportent aux transferts entre échelles. Ces questions dépassent souvent le cadre de la seule turbulence, avec des points durs concernant la détermination des forces et des interactions hydrodynamiques subies par des particules de taille finie. Sur un plan plus applicatif, les possibilités actuelles d'accès aux champs instantanés de vitesse dans ces écoulements, par voie expérimentale et numérique, permettent également d'explorer de façon fine le rôle des processus turbulents dans les transferts thermiques, dans les turbomachines, en combustion ainsi que dans la génération et la propagation du bruit d'origine aérodynamique. L'accès aux fluctuations de pression pariétale a également permis de faire progresser la connaissance des sources aéroacoustiques et de fournir des excitations plus réalistes pour étudier le rayonnement des structures. Toutes ces informations fines alimentent également les progrès dans la formulation des modèles de sous-maille pour la simulation des grandes échelles, en fournissant des bases solides pour des comparaisons a priori ou a posteriori.

2. Instabilités et contrôle

L'étude des instabilités reste également un domaine très actif, même si les progrès conceptuels y sont sans doute moins spectaculaires que dans les décennies passées. L'utilisation du concept de mode global, linéaire ou non-linéaire, et les progrès réalisés par les approches numériques pour le calcul effectif de ces modes ont conduit à des avancées marquantes, notamment dans la compréhension de la dynamique de certaines classes de tourbillons ou d'écoulements fortement non-parallèles. Couplées aux notions de système adjoint, de réceptivité et de perturbations optimales, ces approches sont utilisées avec succès dans la problématique du contrôle pour préciser les modalités permettant de retarder ou au contraire d'amplifier la création de structures cohérentes ou le décollement de couches limites, avec des objectifs tels que l'optimisation du mélange ou la réduction de traînée ou du bruit. Une autre orientation concerne l'enrichissement du contenu physique des analyses de stabilité par la prise en compte d'effets de compressibilité, de stratification, de perturbations acoustiques ou encore de certains forçages mécaniques (rotation, libration...).

3. Interactions fluide-structures

À coté des questions classiques liées aux déflexions et vibrations des structures, d'autres directions de recherche sont en plein essor. Parmi celles-ci, à la charnière avec certaines problématiques de la matière molle, figure l'étude des interactions entre la capillarité et les milieux mous se déformant sous l'effet de la tension surface (élasto-capillarité) ou encore les questions de poro-élasticité historiquement initiées dans les milieux poreux mais en plein développement dans les tissus vivants et les gels. Par ailleurs les problématiques issues du vivant, qu'il s'agisse de circulation dans les vaisseaux déformables, de stratégies de vol ou de nage, d'oscillations de systèmes végétaux sous l'effet du vent, font l'objet d'analyses expérimentales et de modélisations détaillées. Enfin les approches récentes développées pour l'étude des instabilités hydrodynamiques pénètrent peu à peu les problèmes où le fluide interagit avec des objets déformables (drapeau, filament, cylindre flexible...), ou libres de se mouvoir dans le fluide (du type « feuille morte »).

4. Ondes internes et de surface

Ces phénomènes ont été longtemps étudiés en raison notamment de leur importance vis-à-vis de questions de discrétion sous-marine, de résistance à l'avancement des navires de surface ou encore d'ingénierie côtière. Ces domaines d'application, en particulier les deux derniers, restent très actifs et sont renforcés par les projets de récupération d'énergie via des systèmes hydroliens ou houlomoteurs. Ils sont accompagnés du développement de moyens d'essais et de codes de calcul importants. Au cours de la dernière décennie, l'actualité a attiré l'attention sur les phénomènes de tsunamis et de vagues scélérates, générant une forte dynamique autour de leur étude. Les problématiques atmosphériques et océanographiques (déferlement, dispersion par la topographie, flux à l'interface) continuent également de stimuler cette thématique. Enfin, la turbulence d'onde qui se rencontre dans toutes les disciplines où des ondes non-linéaires intéragissent entre elles (mécanique des solides, physique des plasmas, optique non-linéaire...) continue de progresser dans la compréhension des lois d'échelle qui régissent les statistiques de ces phénomènes.

5. Écoulements à grande vitesse

Ce domaine reste d'une grande importance en aéronautique et dans les systèmes de production d'énergie ou de propulsion. L'interaction onde de choc-couche limite et ses conséquences demeurent un sujet d'actualité, tout comme l'impact des ondes de choc sur le mouvement des particules. L'étude des turbomachines est également active, en lien étroit avec la thématique de la combustion. On constate aussi une émergence de problèmes issus du domaine biomédical (injection de substances actives par ondes de choc) et du génie des procédés, tels que la mise au point de compresseurs supersoniques pour le CO2, les techniques de projection dynamique à froid (cold spray), le nettoyage par jet d'azote supercritique, ou encore la fabrication de poudres métalliques.

6. Surfaces et interfaces, microfluidique

L'essor de la microfluidique, domaine dans lequel les forces de surface et les interactions avec les interfaces deviennent prépondérantes par rapport aux forces en volume, a motivé le développement de nombreuses études centrées sur le rôle des interfaces et celui du mouillage. Les recherches en cours concernent la dynamique et les stratégies de formation et de contrôle de gouttes, les situations de mouillage nul, les problèmes de singularité que pose la ligne triple. Lorsque l'on descend vers les petites échelles, ou pour les écoulements de gaz, se posent des problèmes de limite de l'approche continue qui amènent à revisiter les propriétés des écoulements telles que les conditions de glissement à la paroi ou les effets de transpiration thermique. Dans ces domaines, les simulations aux échelles élémentaires de type dynamique moléculaire ou équation de Boltzmann constituent des outils d'investigation précieux. Aux plus grandes échelles, pour les applications liées aux moteurs, aux procédés d'impression ou encore aux aérosols, se rencontre la problématique de la fragmentation de jets ou nappes liquides ou encore de formation de brouillards. Ces phénomènes ultra-rapides posent de grands défis à la fois expérimentaux et numériques.

7. Milieux divisés et Fluides complexes

Les fluides complexes que constituent les milieux diphasiques (mousses, émulsions, suspensions, milieux granulaires), les gels ou encore les polymères rencontrés dans une multitude d'applications (souvent en interaction avec le génie des procédés) posent des questions fondamentales sur les lois de comportement, la compréhension du passage des échelles « micro » (la bulle, la goutte, le grain...) aux échelles « macro » du milieu moyen. Au-delà de la compréhension de la rhéologie, une recherche active tente de revisiter pour ces fluides complexes des résultats classiques pour les fluides newtoniens : instabilités, propriétés de transport... Dans ce domaine, des approches numériques spécifiques des petites échelles (dissipative particle dynamics, dynamique moléculaire...) tendent à se répandre. L'étude des écoulements et des transferts dans les milieux poreux, qui constituent une classe particulière de milieux divisés, reste un sujet dynamique. Les analyses à l'échelle des pores se sont développées avec l'utilisation d'images 3D issues de micro-tomographes. Ces informations alimentent des simulations numériques qui tentent de réaliser le passage de l'échelle du pore à celle du milieu poreux dans son ensemble. Les écoulements de fluides complexes (fluides a seuil, milieux diphasiques) dans ces milieux sont un sujet en vogue qui pose de nouvelles questions sur les phénomènes de dispersion et les lois d'échelles des écoulements et des transferts.

8. Biomécanique

La compréhension du monde vivant fait beaucoup appel à la dynamique des fluides. La prédiction des écoulements rencontrés dans les organismes, notamment humains, et de leurs pathologies reste une motivation importante, avec des implications thérapeutiques directes (stents). Les écoulements sanguins dans les vaisseaux déformables, dans le milieu poreux multi-échelles que constitue le cerveau, les caractéristiques diphasiques des suspensions de vésicules et de globules (déformations, rupture, agglomération), les interactions entre le développement de tissus et les contraintes hydrodynamiques, les écoulements de sève dans les plantes constituent des sujets de recherche très actuels. L'étude du mouvement d'êtres vivants dans leur environnement fluide est également en plein développement. Aux grandes échelles, le vol ou la nage des insectes, poissons ou oiseaux pose des problèmes complexes d'interaction fluides-structure et ouvre la voie à des projets biomimétiques originaux. Aux petites échelles, l'étude du mouvement individuel ou collectif de micro-organismes est en plein essor dans le cadre des recherches sur les fluides dits « actifs ». La compréhension des stratégies de nage dans ces deux limites, l'apparition de mouvements collectifs spontanés, la rhéologie de ces suspensions actives, constituent quelques unes des questions que posent ces systèmes. Enfin, l'imagerie médicale recèle des problèmes qui questionnent mécaniciens des fluides et acousticiens, notamment pour déterminer les propriétés des tissus mous ou mettre au point des agents de contraste.

C. Positionnement, inter-disciplinarité et structuration

1. Positionnement

La communauté française est aujourd'hui forte et jouit d'une reconnaissance internationale certaine (divers indicateurs la situent au deuxième rang mondial). Ce dynamisme est en bonne part lié à la richesse des cultures présentes au sein de la communauté : aux cotés d'une approche mécanicienne classique, fondée sur la forte tradition mathématique française, se sont développées depuis trois décennies des approches physiciennes issues de la physique non-linéaire et des sciences de la matière molle. La synergie entre ces différents points de vue est réelle et constitue une force qui est pour beaucoup dans le dynamisme de l'école française.

2. Transdisciplinarité

Comme le souligne l'analyse qui précède, la dynamique des fluides est aujourd'hui une science très transdisciplinaire. Au sein de l'INSIS, ses liens avec la section 9 sont évidents au travers de la biomécanique, de la rhéologie, des interactions fluides-structure ou encore de l'acoustique. Ils sont en croissance avec la section 8 au travers des défis que les micro- et nanotechnologies posent aux mécaniciens (refroidissement des microcircuits, production de nano-gouttes, tri hydrodynamique de microparticules...). Le dialogue soutenu des mécaniciens numériciens avec les mathématiciens appliqués autour des schémas numériques et des méthodes de discrétisation a conduit également à des interactions de longue date avec l'INSMI. Les interactions sont également fortes, et en croissance, avec les trois sections de l'INSU : la 17 pour le rôle central de la turbulence en astrophysique et celui des instabilités dans certains scénarios de formation des étoiles ou des disques d'accrétion ; la 18 pour le rôle primordial des écoulements dans des questions centrales de planétologie telles que la dynamique du manteau terrestre ou la génération de l'effet dynamo ; la 19 pour les problématiques liées aux écoulements atmosphériques, océaniques et côtiers. Enfin la dynamique des fluides entretient des relations très étroites avec l'INP (section 2 autour des thématiques de la turbulence, des ondes et des instabilités, section 5 autour des fluides complexes et des milieux granulaires) ainsi qu'avec la section 11 de l'INC autour des polymères, de la physico-chimie des surfaces et du mouillage.

3. Structuration

Les forces académiques de la discipline présentes en section 10 sont aujourd'hui réparties au sein d'une quinzaine de gros laboratoires, UMR ou UPR, auxquels s'ajoutent quelques équipes plus spécialisées dans des unités centrées sur d'autres disciplines. Bien que l'essentiel de ces « gros » laboratoires relève principalement de l'INSIS, on y dénombre aussi des laboratoires dépendant de l'INSMI, de l'INSU ou encore de l'INS2I, conséquence directe de la transdisciplinarité mentionnée plus haut. D'autres équipes bien identifiées, regroupant des chercheurs des sections 5 ou 2, existent aussi dans des laboratoires dépendant de l'INP. La répartition géographique de la discipline pave assez bien le territoire puisque sur la quinzaine de laboratoires précités, 3 sont parisiens et 3 autres sont situés sur le plateau de Saclay. La moitié d'entre eux environ est adossée à une grande école, signe de l'enracinement de la discipline dans les sciences pour l'ingénieur. Ces forces académiques ne représentent cependant pas tout le potentiel national car plusieurs organismes (EPST ou EPIC) jouent un rôle important dans le transfert entre recherche amont et applications (essentiellement autour des écoulements turbulents mono- ou diphasiques), notamment le CEA, le CNES, EdF, l'IFPEN, l'IRSN, l'IRSTEA ou l'ONERA. Ils collaborent fortement avec les laboratoires académiques, notamment au travers de thèses co-encadrées. S'agissant des applications, certains groupes industriels continuent de développer en interne la partie la plus stratégique de leurs recherches (dans les domaines concernant les transports et l'énergie notamment) mais tendent de plus en plus à l'externaliser dans les laboratoires publics. Il est à noter qu'en raison de la frilosité actuelle de beaucoup d'entreprises à former et conserver en leur sein des « experts » scientifiques, cette externalisation prend de plus en plus souvent la forme d'une simple sous-traitance au détriment d'un véritable partenariat scientifique.

Les GdR constituent un outil de choix pour les échanges au sein de la communauté nationale, notamment mais pas exclusivement ceux portés par l'INSIS tels que : Contrôle des Décollements (2502), Micropesanteur Fondamentale et Appliquée (2779), Phénoménologie de la Turbulence (2865), Ruissellement et Films cisaillés (3373), Mécanique des Matériaux et Fluides Biologiques (3570), Mécanique et Physique des Systèmes Complexes (3588).

Une partie de la communauté se structure également autour de grands moyens. Du coté expérimental, certains laboratoires disposent de grands instruments : souffleries subsoniques ou supersoniques, bancs de turbomachines, tubes à chocs, bassins d'essais de carènes, grands bassins pour l'étude de la houle ou la mise au point de dispositifs marins (protections côtières, hydroliennes), plateformes pour l'étude des fluides en rotation, veines hydrauliques. Certains sont issus de longs partenariats avec le secteur de la défense (DRET puis DGA, CEA-DAM) et ont pour la plupart été notablement modernisés depuis leur construction, tandis que d'autres sont beaucoup plus récents et résultent souvent de financements régionaux, voire des dispositifs issus des Investissements d'Avenir. Si ces outils sont souvent pertinents et soutenus régionalement, ils ne bénéficient pas toujours d'une politique nationale très claire et leur positionnement par rapport à des moyens spécifiques présents dans d'autres organismes comme l'ONERA ou la DGA (dans les domaines de l'aéronautique, de la propulsion, de l'hydrodynamique navale ou des lanceurs) mérite réflexion de la part du MENSR et du CNRS. Certains sont cependant regroupés dans des réseaux européens (Hydralab, EuHIT...) ce qui leur assure un taux d'utilisation important et des soutiens significatifs. Au-delà de ces grands instruments, une partie de l'activité expérimentale repose sur une métrologie qui peut s'avérer lourde comme les systèmes de vélocimétrie 3D, la PIV holographique ou la tomographie X. La mutualisation de ces moyens relève aujourd'hui essentiellement de la volonté propre des laboratoires ou de la politique de certaines fédérations de recherche. De ce fait la baisse des financements récurrents et des enveloppes contractuelles devient fréquemment un facteur limitant pour l'accès à ces équipements de pointe. En comparaison la mécanique des fluides numérique apparaît plus clairement structurée. Les moyens de calcul nationaux regroupés dans GENCI ainsi que l'infrastructure européenne PRACE constituent un dénominateur commun fort de la communauté qui, conjugué au développement de méso-centres régionaux de calcul, lui permet de tenir son rang dans la compétition internationale, notamment au niveau du calcul haute performance.

D. Conclusion

La photographie instantanée de la dynamique des fluides française suggère qu'elle se porte plutôt bien. Bénéficiant d'une reconnaissance internationale indéniable, la communauté est engagée dans une grande variété de recherches allant d'aspects très fondamentaux à d'autres directement liés à des secteurs applicatifs. Cette distinction est cependant largement réductrice car bien des thématiques amont pratiquent en réalité des allers-retours fructueux avec les applications et le milieu industriel, confortant ainsi la place de la discipline au sein des sciences pour (mais non de) l'ingénieur. L'enseignement a partiellement suivi les évolutions récentes de la discipline : il les reflète en général bien au sein des formations universitaires mais reste souvent plus traditionnel dans les écoles d'ingénieur, sauf lorsque celles-ci sont adossées à un laboratoire lui-même porteur de certaines de ces mutations.

Au-delà de cette bonne santé, certains motifs de réflexion voire d'inquiétude existent. Au niveau des recrutements, la concurrence au concours d'entrée au CNRS est devenue telle que certains sujets, plus traditionnels que d'autres dans leurs concepts ou leurs applications, peinent à être irrigués par ce canal et recrutent désormais essentiellement des enseignants-chercheurs. À ces questions « d'aménagement du territoire scientifique » se superposent celles de « l'aménagement du territoire géographique » résultant du vivier d'étudiants formés en région parisienne et de l'attractivité qu'exerce l'interdisciplinarité des laboratoires correspondants. Enfin, la nécessité d'une réflexion nationale sur les grandes installations expérimentales et les moyens métrologiques lourds mérite à nouveau d'être soulignée : les implications budgétaires et humaines correspondantes dépassent souvent largement le cadre des laboratoires et peuvent dans le contexte actuel très contraint rendre difficile les évolutions internes.