Modélisation des effets de compressibilité dans les approches RANS
Les effets de compressibilité sur les écoulements turbulents sont le plus souvent pris en compte au travers de l’hypothèse de Morkovin et l’introduction de la masse volumique dans les quantités transportées des équations du mouvement. En conséquence les modèles de turbulence, développés avec des hypothèses d’incompressibilité, sont utilisés tels quels, sans correction particulière. Pour des écoulements à grand nombre de Mach, et notamment les écoulements hypersoniques avec parois froides, des effets compressibles peuvent néanmoins se faire sentir sur la turbulence et il convient dès lors de disposer de corrections dans les modèles de turbulence servant à décrire le mouvement fluide.Jusqu’à récemment, les corrections usuellement utilisées, développées il y a plusieurs dizaines d’années, ne répondaient que partiellement aux problèmes constatés. Grâce à l’émergence de données DNS sur des écoulements à fort nombre de Mach, des travaux récents ont pu revisiter ces corrections dans le cadre d’un modèle RANS EVM (Eddy Viscosity Model) de type k-w. Ces nouvelles corrections correspondent en fait aux effets de quatre termes non modélisés dans les équations de transport des scalaires turbulents. En reprenant l’analyse des données DNS, complétées par de nouvelles, on se propose de reprendre la modélisation des effets de compressibilité en tentant de fermer les différents termes des équations. Ainsi, on envisage de développer des modèles RSM (Reynolds Stress Model) et EVM prenant en compte les différents effets compressibles.
Etude de la spéciation du plutonium (IV) et (VI) en milieu concentré en nitrate, effet des fluorures
La thèse proposée en collaboration entre le CEA de Valduc et celui de Marcoule a pour but d’étudier la spéciation du plutonium dans un milieu fortement concentré en nitrate (1M à 12M [HNO3]) et en présence de fluorure (0 à 0,1M [F-]). Une réflexion sera conduite sur la prise en compte de ce milieu très éloigné d’une solution idéale pour la détermination et/ou l’estimation des constantes de complexation et ainsi prendre en compte la force ionique du milieu.
Dans une première phase, il s’agira de mettre en œuvre la spectroscopie d’absorption dans le domaine du visible afin de réaliser une étude de spéciation du plutonium visant à dénombrer les différents complexes et construire des diagrammes de spéciation. Dans un second temps, ces espèces devront faire l’objet de caractérisations structurales permettant ainsi d’identifier les espèces et décrire la chimie du plutonium dans ces milieux. Pour cela, de multiples techniques d’analyses et de caractérisations devront être utilisées : EXAFS, spectrométrie de masse, RMN, DRX monocristal, spectroscopie vibrationnelle (IR et Raman) par exemple. Une approche par modélisation pourra également être utilisée.
1er année au CEA de Valduc. 2-3 ième années au CEA de Marcoule (ATALANTE).
Méthodes de caractérisation pour les cibles de fusion par confinement inertiel du Laser Mégajoule
Une des voies pour la fusion par confinement inertiel avec le Laser MégaJoule nécessite la mise en forme d’une couche sphérique de deutérium-tritium solide à température cryogénique. Une problématique est la caractérisation l’épaisseur de solide qui constitue une donnée primordiale pour l’expérience. Cette caractérisation sera réalisée de deux manières différentes : par ombroscopie optique et par rayons X par contraste de phase. Un procédé cryogénique (cryostat) fonctionnant à environ 20 kelvins, mis au point au CEA, permet d'ores et déjà de développer les futures cibles cryogéniques du LMJ et les moyens de caractérisation associés.
Les objectifs de la thèse sont la compréhension et la modélisation théorique et numérique des phénomènes physiques, la mise au point d'un banc de caractérisation adapté autour du cryostat et le traitement des signaux et des images pour la description tri-dimensionnelle de la couche de DT.
L’étudiant devra dans un premier temps s’approprier le fonctionnement du cryostat, de son système de commande et de son système de caractérisation sommaire actuel. Après une phase d'étude bibliographique, il devra étudier théoriquement et numériquement les phénomènes physiques en oeuvre afin de concevoir le système d'acquisition et un traitement d’image permettant la caractérisation tri-dimensionnelle d’une couche de DT solide à partir de clichés obtenus lors des expériences en deutérium sur le cryostat d’étude. Enfin, il pourra être demandé de coupler la commande et la caractérisation dans l’optique de l’optimisation du procédé. Pour chacune de ces problématiques, l'étudiant pourra s’appuyer sur des données bibliographiques, des résultats d'études passées ainsi que sur le savoir-faire des équipes du laboratoire d’accueil.
Conformément aux engagements pris par le CEA en faveur de l'intégration des personnes en situation de handicap, cet emploi est ouvert à tous et toutes.
Ruptures de plaques métalliques sous choc : fissurations et perforations dynamiques
Il est nécessaire de développer des outils de simulation de perforation de plaques métalliques, permettant de garantir leur bonne tenue. Les simulations actuelles (utilisant un modèle de Johnson-Cook couplé à un critère de rupture uniquement basé sur une déformation plastique critique) permettent de restituer convenablement le fait que ces plaques se perforent ou pas, mais la compréhension fine et la simulation précise des différents modes de rupture observés peuvent être améliorées. Il semble ainsi difficile de pouvoir extrapoler avec confiance ces modèles dans des domaines de fonctionnement non étudiés expérimentalement.
L’objectif de cette thèse est donc de pouvoir proposer une modélisation à base physique qui puisse reproduire les différents modes de ruine (notamment les modes de « petaling » ou de « plugging »), en fonction de paramètres d’importance comme l’épaisseur des plaques, la vitesse d’impact, l’angle d’incidence, ou encore la présence ou non de raidisseurs. Cela nécessitera une étude de l’influence de la vitesse de déformation sur les mécanismes d’endommagement et la fissuration, couplée à une sélection des méthodes numériques et des modèles de comportement et de rupture adaptés. Des travaux à la thématique proche ont été développés dans le cadre de la thèse de Simon (2019). Des caractérisations multi-échelles, mécaniques et microstructurales, via des moyens d’essais avancés, seront donc menées, alimentant les développements de simulations sur clusters de calculs HPC.
Modélisation de la capture de particules par des mousses aqueuses
Les mousses aqueuses constituent un moyen de protection efficace contre la détonation d'engins explosifs. En effet, utilisées en recouvrement de ce type de menace, elles réduisent significativement le souffle et capturent efficacement les particules micrométriques pouvant être émises. La modélisation de ces phénomènes dans un code multiphasique est ainsi d'importance pour pouvoir traiter une grande variété de cas complexes. Plusieurs thèses sur le sujet ont abouti à un modèle reproduisant convenablement l'atténuation du souffle mais la modélisation de la capture des particules est encore à parfaire.
La thèse proposée prend la suite directe de la dernière réalisée sur le sujet. Celle-ci avait abouti à une modélisation de la trainée des particules dans la mousse qui est encore perfectible au niveau de sa formulation et dont le champ d'application reste limité. L'objectif de la thèse est donc de proposer un nouveau modèle pouvant être intégré à un code de simulation multiphasique et permettant de restituer la capture de particules micrométriques par une mousse aqueuse. Pour cela, le doctorant pourra s'appuyer sur une ré-exploitation des données expérimentales existantes, des simulations détaillées à l'échelle de la particule. Le doctorant pourra également réaliser de nouvelles expériences élémentaires si cela s'avérait nécessaire.
Au cours de la première année, l'étudiant réalisera une étude bibliographique, se familiarisera avec le code de simulation multiphasique et réexploitera les données expérimentales existantes. Grâce à cela, il proposera un programme de travail qu'il appliquera en deuxième année. Ce programme pourra comprendre des simulations détaillées à l'échelle de la particule. En dernière année, le doctorant exploitera les résultats dans le but d'établir et d'implémenter un nouveau modèle qu'il validera grâce aux données expérimentales.
Maillage hexaédrique d’ordre élevé massivement parallèle
L’objectif du travail de thèse est de développer un algorithme de maillage hexaédrique de type Overlay-
Grid en contexte HPC, avec l’ambition d’obtenir des maillages hexaédriques d’ordre élevé et comportant
potentiellement plusieurs milliards de mailles. Nous considérons que nous devons dans ce travail satisfaire
les contraintes suivantes :/
— La solution proposée doit être efficiente en priorité dans un contexte de parallélisme hybride mêlant
mémoire distribuée (MPI) et mémoire partagée (threads). Cela nécessitera entre autres d’équilibrer
la charge de travail entre les différents processus (légers ou non) impliqués dans le calcul ;
— Les domaines géométriques à discrétiser pourront être aussi bien modélisés par des modèles de CAO,
ou des grilles de fraction de présence ;
— Le maillage obtenu comportera des mailles de différents ordres pour s’adapter au bord géométrique
du domaine spatial discrétisé.
Sous ces contraintes, la solution proposée sera analysée et comparée aux méthodes de l’état de l’art sur
différents aspects purement informatiques. La qualité des maillages obtenus sera confrontée à des besoins de
codes de simulation du CEA.
Résolutions de problèmes inverses par deep learning appliqués à l'interférométrie
Dans la continuité des travaux de thèse de Benoît Rougier et de Jérémi Mapas appliqués à l'interférométrie radiofréquence sur la compréhension de la propagation d’une onde électromagnétique à travers une onde de choc pour l'étude à cœur des propriétés de matériaux innovants, cette thèse vise à exploiter les signaux bruts du radio interféromètre pour déterminer simultanément la vitesse d’un choc et la vitesse matérielle dans des solides inertes ou énergétiques soumis à un choc soutenu ou non-soutenu. Un modèle de propagation des ondes millimétriques dans un milieu dissipatif présentant deux couches diélectriques séparées par des interfaces en mouvement a été élaboré pour adresser le cas du choc soutenu. Une résolution du problème inverse du modèle à deux couches avec pertes a été proposée avec l'apport du deep learning et des réseaux convolutifs. Un modèle multicouche sans pertes diélectriques a été également initié pour le cas du choc non soutenu.
L’exploitation des signaux bruts de l’interférométrie laser pour la mesure de vitesse d’interface fait également l’objet de nombreux travaux en traitement du signal avec par exemple l’utilisation de la transformée de Fourrier glissante, et/ou de la méthode des ondelettes. L’application du deep learning à l’interférométrie laser est recherchée pour permettre d’améliorer l’analyse des résultats. La synergie entre les deux approches métrologiques est un atout pour améliorer l’architecture des réseaux de neurone, notamment avec des méthodes d’apprentissage basées sur la modélisation des signaux bruts.
Références :
Reflection of Electromagnetic Waves on Moving Dielectric Interfaces for Analyzing Shock Phenomenon in Solids, B. Rougier, H. Aubert, A. Lefrancois, Y. Barbarin, J. Luc, A. Osmont, RadioScience, 2018
Plus particulièrement, l’objectif consistera à approfondir la compréhension et la modélisation des phénomènes de transmission et de réflexion d’une onde électromagnétique se propageant dans un matériau soumis à un choc, à améliorer le travail d’inversion du modèle de propagation à partir de réseaux de neurones afin de pouvoir extraire de manière plus précise la vitesse de choc, la vitesse matérielle et l’indice de réfraction choqué du signal rétrodiffusé dans le matériau et enfin de concevoir des campagnes expérimentales afin d’acquérir des données nous permettant de valider les différents modèles développés.
Evaluation probabiliste des contraintes sur un réseau électrique vis-à-vis d’une agression conduite
La vulnérabilité des systèmes électroniques aux agressions électromagnétiques intentionnelles est une question extrêmement sensible au regard des évolutions technologiques et du déploiement de nombreux équipements électroniques pour la gestion de processus critiques. Les effets d’une contrainte couplée sur un réseau électrique basse tension et de sa propagation dans une installation, à travers le circuit de distribution électrique jusqu’aux équipements terminaux, est un sujet actuel d’intérêt vis-à-vis de ces menaces. La détermination des niveaux de contrainte à l’entrée des équipements est une donnée fondamentale pour l’analyse de cette vulnérabilité, et elle est fonction de nombreuses données d’entrée (position et nombre de câbles d’alimentation, impédances de charge terminales), peu précisément connues et très variables d’une installation à l’autre. Une approche stochastique est donc proposée pour estimer les incertitudes et leurs propagations dans un modèle de réseau électrique.
Les objectifs de cette thèse seront de rechercher et d'étudier les performances de méthodes d’apprentissage pour représenter le problème initial par une fonction simplifiée pour une estimation efficace des distributions probabilistes de niveaux de contrainte ou de la probabilité de dépassement de seuil de susceptibilité. Pour valider la méthode d'apprentissage retenue, une maquette expérimentale représentative d'un réseau de distribution électrique sera réalisée. Les résultats expérimentaux pourront alors être confrontés à ceux de la méthode stochastique sur cette maquette.
De T0 à T0 + 4 mois : choix des méthodes et outils de modélisation et état de l'art sur les méthodes d'apprentissage.
De T0 + 5 mois à T0 + 6 mois : détermination de configurations d'intérêt et de complexité croissante / Définition des incertitudes et hypothèses de distributions. De T0 + 7 mois à T0 + 18 mois : recherche de méthodes d'apprentissage adaptées au problème posé (propagation d'interférences dans les réseaux électriques) et à sa dimension (nombre de variables d'entrée). Déclinaison de la méthode en fonction de l'objectif de distribution de la contrainte ou de probabilité de dépassement de seuil.
De T0+19 mois à T0 + 22 mois : validation théorique et indicateurs de performance, le modèle initial constituant la référence.
De T0 + 23 mois à T0 + 30 mois : réalisation d'essais sur maquette expérimentale et confrontation avec l'approche théorique proposée. De T0 + 31 mois à T0 + 36 mois : rédaction du manuscrit de thèse.
Amélioration d’explosifs par structuration des cristaux avec le procédé d’Evaporation Flash de Spray
De nouvelles voies de formulation de matériaux énergétiques sous forme de granulés de RDX enrobés d’ONTA et d’aluminium enrobé d’ONTA ont été identifiées dans la littérature chinoise et coréenne. La vitesse de détonation annoncée pour un explosif formulé à partir de granulés ONTA-HMX en rapport 1:1 molaire est supérieure à celle de l’octogène avec une sensibilité au choc proche de celle de l’ONTA, ce qui est prometteur dans l’optique de nouveaux explosifs à usage conventionnel.
Nous avons réalisé des simulations thermochimiques de compositions HMX-ONTA-Al à différents taux d’HMX qui montrent une nette amélioration des performances balistiques et de brisance par rapport à l’octogène et la composition PBXN109, sans dégrader les effets de souffle. Ces travaux mettent en exergue une nouvelle voie de formulation permettant d’allier une performance accrue des explosifs et une faible sensibilité (celle de l’ONTA).
La technique d’Evaporation Flash de Spray (SFE en anglais) développée par le laboratoire NS3E (Nanomatériaux pour des Systèmes Sous Sollicitations Extrêmes) sous tutelle de l’ISL, du CNRS et de l’Université de Strasbourg (UAR 3208) permet d’obtenir une structuration de l’explosif à l’échelle micrométrique à nanométrique. La thèse de Maxime Blanchon (2021-2024) a permis de produire les premières structures cœur-coquilles HMX-ONTA avec un ratio molaire 1:1. Les poudres obtenues présentent une sensibilité intermédiaire entre le HMX et l’ONTA avec des performances détoniques en accord avec la thermochimie, tout en conservant la capacité à détoner sous forme de charges de 3 mm de diamètre.
Ce travail constitue un sujet de thèse novateur et en rupture technologique avec ce qui se fait actuellement. Il est proposé de poursuivre ces travaux par une nouvelle thèse pour compléter la caractérisation des matériaux obtenus et les améliorer en jouant sur la nature des constituants et les balances en oxygène, en mesurant les caractéristiques détoniques à petite échelle sur des charges de dimensions centimétriques, en fonction de la densité, puis en étudiant leur comportement détonique (transition vers la détonation) via des expériences de laboratoire et des simulations.
Le travail est réalisé en collaboration entre le centre de Gramat (46) et l'institut de Saint Louis.
1ère année : analyse des expérimentations réalisées sur les structures de Maxime Blanchon, réflexion sur des améliorations des produits
2ième année : réalisation de nouvelles structures et caractérisation
3ième année : Rédaction du manuscrit
Système interférométrique rapide à réinjection optique fibré pour la mesure de surpression aérienne
Le CEA (Commissariat à l’Energie Atomique et aux énergies alternatives) est l’un des plus importants centres de recherche français. Le site de Gramat est le centre de référence de la Défense en vulnérabilité des systèmes et des infrastructures. L’équipe de recherche du LAAS-CNRS, Optical And Smart Integrated Sensors, à Toulouse est l’une des équipes les plus avancées au monde dans la conception de capteurs interférométriques intégrés dit à réinjection optique (Optical Feedback Interferometry - OFI).
Ces capteurs simples et compacts couvrent un vaste domaine de mesures : vibration, vitesse, distance, etc. et plus récemment la mesure de variation de pression dans le domaine acoustique mais également dans des gammes de pression plus élevées comme on en rencontre dans le cas d’explosions. Dans le cadre d’une collaboration entre le LAAS-CNRS et le CEA, un capteur par réinjection optique pour l’observation d’onde de choc a été évaluée et un modèle acousto-optique a été développé.
Les premiers essais ont démontré à la fois le fort potentiel de cette technologie et les trois difficultés suivantes: l’absence de déport de la mesure par fibre optique, une bande passante globale un peu limitée et suivant les niveaux de pression une résolution limitée. L’objectif de cette thèse est le développement d’un nouveau capteur dont le laser sera conçu pour fonctionner avec un déport en fibre optique et avec une bande passante approchant le GHz. L’effet de réinjection optique est très différent de ce qui a pu être fait par le passé et la bande passante demandé repoussera grandement les limites actuelles. En parallèle, le doctorant devra améliorer la résolution du capteur soit en agissant sur sa conception pour avoir accès à la phase du signal de mesure soit via un traitement du signal innovant. Les incertitudes de mesure seront également évaluées. La mise en œuvre du futur prototype sur des campagnes de mesures et le traitement de données acquises au CEA-Gramat en seront l’aboutissement.
Le déroulement de la thèse proposée est dans un premier temps de s'approprier la technologie de réinjection optique et les précédents résultats. Pour déporter la mesure, une étude théorique pour choisir le meilleur laser et la meilleur fibre optique sera menée. Une étude parallèle portera sur les solutions pour améliorer les la résolution du capteur. Après des essais de laboratoire au LAAS-CNRS pour valider par partie le capteur, des expériences maitrisées intermédiaires seront réalisées au tube à choc du CEA Gramat avant une démonstration expérimentale en conditions réelles sur une dalle d’essais.