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Recrutement

PROPOSITION DE STAGES

Stage : Simulations HPC d’écoulements diphasiques par une méthode pseudo-potentielle dans LBM_saclay

Contexte général
La méthode de Boltzmann sur réseaux (Lattice Boltzmann Method – LBM) [1] est une méthode numérique qui permet de simuler des problèmes physiques modélisés par des équations aux dérivées partielles telles que celles impliquées dans la croissance des cristaux, les équations fractionnaires et les écoulements de fluide. La base de la méthode consiste à réaliser une étape de collision suivie d’une étape de déplacement d’une fonction de distribution sur un maillage cartésien régulier. La méthode a été mise en oeuvre dans un code de calcul développé au CEA et écrit en C++ : LBM_saclay [2]. Ce dernier est dédié à la simulation d’écoulements diphasiques avec ou sans changement de phase liquide-gaz et exécutable sur différentes architectures matérielles (multi-CPUs et multi-GPUs) [3]. Le sujet de stage vise à enrichir la base de cas tests de LBM_saclay en étudiant une nouvelle application physique impliquant des écoulements diphasiques.


Objectifs du stage
Le sujet du stage consiste à mettre en oeuvre dans LBM_saclay une approche « pseudo-potentielle » pour simuler des écoulements diphasiques. Le travail pourra s’appuyer sur la littérature existante sur le sujet [4]. Cette approche sera comparée avec un modèle déjà implémenté dans LBM_saclay et composé des équations de Navier-Stokes incompressibles, couplées à l’équation de Allen-Cahn pour le suivi de l’interface entre les deux phases. Les simulations comparatives pourront se réaliser sur des cas tests classiques dans ce domaine : instabilités de Rayleigh-Taylor ou coalescence de bulles. Des comparaisons des temps de calcul sur les différents clusters de calculs accessibles au CEA seront effectuées entre les plateformes GPUs et CPUs (supercalculateur Jean-Zay de l’IDRIS et IRENEV100 du CCRT). Selon l’état d’avancement du stage, différentes directions de travail pourront être envisagées : 1) extension au 3D ou 2) test d’un opérateur de collision alternatif.


Environnement de travail
Le stage s’effectuera au sein du laboratoire LMSF du Service de Thermo-Hydraulique et Mécanique des Fluides (STMF) du CEA–Saclay qui regroupe des compétences sur les aspects LBM et les modèles à champ de phase. Ce travail se réalisera en collaboration avec un laboratoire de l’Inria qui possède les compétences sur l’approche pseudo-potentielle du sujet. La durée recommandée pour ce travail est de 5 à 6 mois pour un début effectif au CEA–Saclay au premier trimestre 2023. Le profil requis est celui d’un Mastère 2 ou d’une dernière année d’école d’ingénieur ayant un goût prononcé pour le calcul scientifique, la modélisation physique et la programmation en C++.


Directions de travail
— Compréhension du modèle physique de suivi d’interface, de la méthode LB et prise en main du code de calcul.
— Développements informatiques en C++.
— Vérifications et validations ; simulations et discussion.
— Rédaction du rapport et présentation orale des résultats.

Mots clés
Lattice Boltzmann Method, Navier-Stokes, modèle à champ de phase, LBM_saclay , C++.


Références
[1] T. Krüger, H. Kusumaatmaja, A. Kuzmin, O. Shardt, G. Silva, E. Viggen, The Lattice Boltzmann Method. Principles and Practice, Springer, 2017. doi:10.1007/978-3-319-44649-3.
[2] W. Verdier, T. Boutin, P. Kestener, A. Cartalade, LBM_saclay : application HPC multi-architectures sur base LBM. Guide du développeur, Tech. rep., CEA-Saclay, DES/ISAS/DM2S/STMF/LMSF/NT/2022-70869/A (2022).
[3] W. Verdier, P. Kestener, A. Cartalade, Performance portability of lattice Boltzmann methods for two-phase flows with phase change, Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering 370 (2020) 113266. doi:10.1016/j.cma.2020.113266.
[4] F. Qin, A. M. Moqaddam, L. Del Carro, Q. Kang, T. Brunschwiler, D. Derome, J. Carmeliet, Tricoupled hybrid lattice boltzmann model for nonisothermal drying of colloidal suspensions in micropore structures, Physical Review E 99 (5) (2019) 053306.

Contacts


Envoyer un CV détaillé à :

ROMAIN NOËL
Inria & Université Gustave Eiffel
Centre de Nantes

romain.noel@univ-eiffel.fr
Allée des Ponts et Chaussées
Route de Bouaye – CS4
44344 Bouguenais Cedex
ALAIN CARTALADE
CEA Saclay
DES/ISAS/DM2S/STMF/LMSF

alain.cartalade@cea.fr
Bât 451, p. 22
Tél : 01 69 08 40 67

 

Stage : Dimensionnement énergétique et hydraulique de dalles de béton poreurses pour des chaussées urbaines démontables

Contexte général
L’université Gustave Eiffel s’intéresse à la fusion de deux innovations développées en son sein : la chaussée urbaine démontable (CUD) et le système hybride SunRoad de collecte d’énergie solaire.
La CUD est une chaussée constituée de dalles de béton non armées de forme hexagonale encastrée les unes dans les autres par un système de languettes et reposant sur une plateforme traitée au ciment, mais restant facilement excavable (voir cud.ifsttar.fr). L’aspect démontable (et remontable) des CUD permet un accès facile aux réseaux sous-jacents pour leur maintenance tout en maintenant l’esthétique des chaussées du fait de l’absence de tranchées apparentes en surface et évitant le gâchis de matériau. La faisabilité de ce genre de chaussée a été démontrée sur 2 chantiers expérimentaux dont l’un se trouve sur Nantes et un récent essai sur le manège de fatigue de l’université. Un nouveau démonstrateur composé d’une nouvelle version des dalles a, par ailleurs, été construit en juin 2022, rue de l’Allier à Nantes et fait actuellement l’objet d’un suivi de son comportement.
Le système de récupération d’énergie solaire SunRoad vise à transformer les rayonnements solaires (photovoltaïques et thermiques) en énergie par l’intermédiaire d’un système multicouche composé
d’une couche semi-transparente laissant passer la lumière, d’une couche de cellules photovoltaïques et d’une couche poreuse parcourue par un fluide caloporteur et jouant le rôle d’échangeur de chaleur.
Ce système hybride fait actuellement l’objet de développements en matière d’efficacité énergétique et mécanique. L’évaluation énergétique d’un démonstrateur construit sur le campus nantais de l’université est en cours.
Un premier projet exploratoire RA2RUP financé par l’i-site Future a permis d’étudier numériquement une première solution consistant en un fluide caloporteur circulant dans des tuyaux parcourant les dalles CUD en béton plein (sans couche photovoltaïque ni semi-transparente).


Objectifs du stage
Le sujet de ce stage est principalement numérique. L’objectif du stage est de dimensionner énergétiquement, hydrauliquement (et mécaniquement, si le temps le permet) des dalles incorporant une couche poreuse permettant la circulation d’un fluide caloporteur. Les dalles, et les couches poreuses seront connectées par des tuyaux sortant sur les faces latérales des dalles CUD. Dans un premier temps, les dalles seront constituées de béton uniquement (sans couche photovoltaïque ni semi-transparente). L’accent sera mis sur l’efficacité énergétique et la circulation du fluide. Des perméabilités variables, des tailles de granulats variables, des diamètres de tuyaux de connexion différents ou encore des cheminements de fluide variables seront à étudier et comparer. La question de la tenue mécanique sera également abordée, mais un premier dimensionnement déjà réalisé servira de base de travail.

Simulations numériques
Ce dimensionnement hydraulique sera basé sur une méthode de calcul Lattice Boltzmann (LBM) implémentée dans un solveur 3D « in-house ». Ce type de méthode étant originale et très adaptée à la mécanique des fluides dans des géométries complexes comme celles des milieux poreux. L’un des principaux travaux sera d’établir des conditions aux limites (géométrie et schéma numérique) du problème physique.
Les travaux effectués permettront d’étudier la faisabilité du couplage CUD/chaussée solaire et permettront d’étendre les fonctionnalités des CUDs. Ils participeront donc à la dissémination de cette nouvelle famille de chaussée très prometteuse.

Organisation
Le stagiaire se devra d’être le plus autonome possible. C’est Romain Noël qui sera chargé de l’encadrement pour la partie hydraulique et thermique. Éric Gennesseaux assurera le suivi de l’étude pour les aspects matériau béton, construction et prototypage le cas échéant.

Acquis préalables
Le stagiaire devra avoir une bonne maîtrise des méthodes numériques et de l’utilisation d’un code aux éléments finis ou LBM serait un avantage. De plus, des compétences en mécanique des fluides thermiques seraient également souhaitées.
Le stagiaire devra faire preuve d’une bonne capacité à travailler en équipe, d’autonomie et il devra être force de proposition quand il s’agira d’aider à résoudre des problèmes.
Le stagiaire devra bien entendu être capable d’exposer clairement ses résultats lors des réunions et pour la rédaction de son rapport de stage.

De plus, à l’issue de ce stage une poursuite en thèse pourra être envisagée sur l’impact d’une solution de ce type à l’échelle d’une rue sur son aéraulique et confort thermique.

Durée du stage
6 mois au laboratoire SII/COSYS/UGE (Bouguenais)

Contacts


Envoyer un CV détaillé à :

NOËL Romain
Université Gustave Eiffel
Centre de Nantes

romain.noel@univ-eiffel.fr
Allée des Ponts et Chaussées
Route de Bouaye – CS4
44344 Bouguenais Cedex

GENNESSEAUX Eric
Université Gustave Eiffel
Centre de Nantes

eric.gennesseaux@univ-eiffel.fr
Allée des Ponts et Chaussées
Route de Bouaye – CS4
44344 Bouguenais Cedex

SEDRAN Thierry
Université Gustave Eiffel
Centre de Nantes

thierry.sedran@univ-eiffel.fr
Allée des Ponts et Chaussées
Route de Bouaye – CS4
44344 Bouguenais Cedex

 

PROPOSITION DE THESES

Etude expérimentale et numérique de la réponse dynamique de structures ferroviaires avec sous-couche bitumineuse

Laboratoire principal - Référent principal

MAST - LAMES  -  HORNYCH Pierre  pierre.hornych@ifsttar.fr    tél. : +33 240845809 

Directeur du laboratoire principal

VILLAIN Géraldine  -  geraldine.villain@ifsttar.fr

Laboratoire 2 - Référent

COSYS - SII  -  LE CAM Vincent  -  vincent.le-cam@ifsttar.fr  -  tél. : +33 240845778

Spécialité de la thèse

Génie Civil

Axe

2 - COP2017 - Améliorer l'efficience et la résilience des infrastructures

Site principal

Nantes

Etablissement d'inscription

ECOLE CENTRALE NANTES

Ecole doctorale

SCIENCES POUR L'INGENIEUR

Directeur de thèse prévu

HORNYCH Pierre  -  Université Gustave Eiffel  -  MAST - LAMES

Type de financement prévu

Contrat doctoral  - Université Gustave Eiffel

Résumé

Contexte
Les structures ferroviaires avec sous-couche en grave-bitume commencent à se développer en France, en particulier sur les voies TGV, exigeant un haut niveau de service. Ces structures présentent plusieurs avantages : la couche de grave bitume permet d’améliorer la rigidité de la structure, d’assurer une meilleure protection du sol support et constitue une excellente plateforme, insensible aux intempéries, pour la construction de la voie.
Récemment, une évaluation détaillée du comportement de ce type de structure a été réalisée dans le cadre du projet Instrumentation BPL, qui avait pour objectif d’instrumenter plusieurs sections de la nouvelle voie TGV Le Mans-Rennes, et de suivre leur comportement durant plusieurs années (Khairallah (2019), Khairallah et al. (2019)). Ce projet a confirmé les bonnes performances des structures avec sous couche en grave bitume utilisées sur cette ligne, par comparaison avec des structures classiques, avec sous-couche granulaire.
En parallèle, L’Université Gustave Eiffel a développé le logiciel Viscorail (Chupin et al., 2014), qui permet de calculer la réponse dynamique de structures ferroviaires. Ce logiciel, dérivé du logiciel Viscoroute (Chabot et al., 2010), développé pour les chaussées routières, est basé sur une modélisation semi-analytique, et permet de prendre en compte des matériaux élastiques ou visco-élastiques. Des premières comparaisons entre les modélisations effectuées avec Viscorail et les mesures réalisées sur la voie BPL ont donné des résultats très encourageants.
Même si les résultats du projet BPL ont montré un bon comportement des structures avec sous-couche bitumineuse sur cette voie TGV (faibles déflexions, faibles accélérations dans le ballast, déformations extrêmement faibles dans les couches bitumineuses) le comportement de ce type de structures est encore insuffisamment connu. En particulier, les résultats de BPL ont été obtenus sur des structures avec des plates-formes traitées, de portance très élevée et leur application à d’autres contextes (plates-formes de plus faible portance, charges correspondant à d’autres types de trains, températures plus élevées, etc..) demande à être étudiée. De même, il n’existe pas aujourd’hui de critères de dimensionnement appropriés pour ces structures, à la fois en ce qui concerne le ballast que les couches bitumineuses, ce qui reste un frein à leur diffusion.

Objectifs de la thèse
L’objectif général de la thèse est de mieux comprendre et de modéliser le comportement des structures ferroviaires avec sous couche bitumineuse, en vue d’optimiser la conception et le dimensionnement de ces structures. Plus précisément, il s’agira
1. D’étudier le comportement d’une structure de voie ferrée ballastée, avec sous couche bitumineuse, pour différentes conditions de chargement, de plateforme et d’environnement à partir d’essais en vraie grandeur, réalisés avec le banc d’essai ferroviaire Sysiphe de L’Université Gustave Eiffel .
Le banc Sysiphe est conçu pour tester à l’échelle 1 des structures de voie ferrée, d’environ 10 m de long. Il permet de construire tout type de structure de voie et dispose d’un système de chargement permettant de simuler des charges mobiles, avec des niveaux allant jusqu’à 250kN à l’essieu
2. D'évaluer et de comparer différentes méthodes d’instrumentation de cette structure, en vue d’étudier sa réponse mécanique. L’objectif sera en particulier de mesurer les accélérations et déplacements verticaux à différents niveaux dans la structure, ainsi que les déformations horizontales dans la couche bitumineuse. Des méthodes de mesure par fibres optiques seront testées pour la mesure des déformations. La faisabilité d’une mesure des accélérations dans le ballast sera également étudiée.
3. De modéliser les résultats des essais avec le logiciel Viscorail, afin d’évaluer les capacités de prédiction du logiciel pour différentes conditions de chargement. Des améliorations du logiciel pourront être envisagées, en particulier concernant la prise en compte du comportement du ballast (actuellement supposé élastique linéaire). Le modèle sera ensuite appliqué à la prédiction du comportement d’autres types de structures, destinées à des usages différents (voies secondaires, voies de frêt).
4. De définir, à partir des dégradations observées dans les essais (tassements du ballast, fatigue de la sous-couche bitumineuse), des critères de dimensionnement de ce type de structures (valeurs maximales admissibles de certaines sollicitation, en des points critiques de la structure).

Références
Chupin, O, Martin, A., Piau, J.-M., & Hicher, P.-Y. (2014). Calculation of the dynamic response of a viscoelastic railway structure based on a quasi-stationary approach. International Journal of Solids and Structures, 51(13), 2297‑2307
Chabot, A., Chupin, O., Deloffre, L., & Duhamel, D. (2010). Viscoroute 2.0 A : Tool for the simulation of moving load effects on asphalt pavement. Road Materials and Pavement Design, 11(2), 227–250.
Khairallah, D. (2019). Analyse et modélisation de comportement mécanique de structures de voies ferrées avec sous-couche bitumineuse [Thèse de doctorat, Université de Nantes, ).
Khairallah, D., Blanc, J., Cottineau, L. M., Hornych, P., Piau, J.-M., Pouget, S., Hosseingholian, M., Ducreau, A., & Savin, F. (2019a). Monitoring of railway structures of the high speed line BPL with bituminous and granular sublayers. Construc

Mots-clefs:

structures ferroviaires, sous-couche bitumineuse, essais en vraie grandeur, comportement cyclique, modélisation,

 

N'oubliez pas de contacter préalablement le référent ou le Directeur du laboratoire

Je candidate à cette thèse