Salim

a  Ra

faï  

Labo

ratoire

 Interdisc

iplinaire  de  Ph

ysique

 Univ.  Greno

ble  I  /  CNRS  

Plankton  blooming  Jacques  Descloitres,  MODIS  Rapid  

Response  Team,  NASA/GSFC      

BioconvecMon  or  “slow  turbulence”  Dombrowski  et  al.  Phys  Rev  LeQ  2004  

Recent  reviews:  MarcheV  et  al  2013,  Ramaswamy  2010,  Lauga  &  Powers  2009  

Chlamydomonas  Reinhard0i  quasi  spherical  

10  µm  unicellular  velocity  ~  10  radius  .  s-­‐1  

«  synchronisable  »  

 

sperm  cell   paramecie   bacillus  subMlis   E-­‐coli  

Microswimmers  (living  organisms)  

Chlamydomonas  Reinhard0i  quasi  spherical  

10  µm  unicellular  velocity  ~  10  radius  .  s-­‐1  

«  synchronisable  »  

 

Microswimmers  (living  organisms)  

0.2  s.  

temps  réel  

A  complex  swimming  dynamics  

20ms  

2s  

1  mm,  20  s  60  µm,  1s    

•  Garcia, Berti, Peyla & Rafai, Phys. Rev. E (R) (2011)

pusher  type  swimmer     puller  type  swimmer  

Fluid  flow  (Stokes)  around  a  swimmer  

u(r) = p8πηr3

(3cos2θ −1)far  field  

Numerical  simulaMons  Fluid  ParMcle  Dynamics  Tanaka  2D  (PRL  2000),  Decoene  2D  (Math.  Mod.  Nat.  Phen  2011)  Peyla  3D  (EPL  2007)    

Phantom  flagella  V.  Mehandia  and  P.R.  NoQ  J.  of  Fluid  Mech.  2008  

Numerics  

Shearthinning  behaviour::  Compe00on  between  shear  flow  and  swimming  

ηeff  =  η0  (1-­‐ϕ/ϕm)  –αϕm  Krieger  &  Dougherty  1959  

α  =  2.5  (dead  cells)  α  =  4.5  (swimming  cells)    

EffecMve  viscosity  as  a  funcMon  of  volume  fracMon  S.Rafaï, L.Jibuti, and P.Peyla, Phys. Rev. Lett. (2010)

   

Rheology  of  a  puller-­‐type  suspension  

Phantom  flagella  Mehandia  &  NoQ  J.  of  Fluid  Mech.  2008  

 

Numerical  simulaMons  Fluid  ParMcle  Dynamics  

 Tanaka  2D  (PRL  2000),  Decoene  et  al.  2D  

(Math.  Mod.  Nat.  Phen  2011)  Peyla  3D  (EPL  2007)  

   

Rheology  of  a  puller-­‐type  suspension  

complementary  observaMon  S.Rafaï, L.Jibuti, and P.Peyla, Phys. Rev. Lett. (2010)

   

 

resistance  to  rotaMon  consistent  with  increase  of  viscosity  L.Jibuti, S. RafaÏ, P.Peyla J. Fluid Mech. 2012

   

anisotropy  of  orientaMon  needed  to  explain  the  results      not  gravity:  M. Mussler, S. Rafaï, P.Peyla & C. Wagner EPL 2013

   

����

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�������� � ���

�������������

�

����

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X  Component  of  the  velocity    

X  Component  of  the  velocity    

Phototaxis:  Biaised  swimming  in  presence  of  light  y  (µm)  

x  (µm)  

X  

x  (µm)  

y  (µm)  

Light  biaised  trajectories  Trajectories  in  absence  of  biais  vx(µm/s)  

vx(µm/s)  

Mme  t=0  :  Light  ON  X  

Mme  (s)   Mme  (s)  

10  frames  4ms  apart,    Vmax=27  Vswim  

 

same  condiMons  +  light  upstream  

1  mm  

1  mm  

Spontaneous  focusing  when  light  is  upstream  

reminiscent  of    Kessler,  Nature  1985  

on-­‐off  experiments   Microswimmer  velocity  controls  the  dynamics  

X   X  

A  reversible  effect  

Half  band

 width  (µ

m)  

Time  (s)  

ψ(r,t)

ψ(r, t) =ψ0 + ω(r, t ')dt '0

t

∫with  

r

z  

θ

Flow  in  a  pipe  &  swimming:    a  simple  non-­‐linear  model      

r/R  

z/R  

R  

drdt=V0 sin

dzdt=Vz (r)+V0 cos ψ(r,t)

(r,t)=Vmax r(t)R2

ω

Vz(r)=Vmax (1- r2

R2 )

V0

Poiseuille  flow:    

Swimming  velocity  

2R   ω

ω

2R  

A  simple  mecanism:  Flow  in  a  pipe  &  swimming:    a  simple  non-­‐linear  model      

Garcia, Rafaï & Peyla, Phys. Rev. Lett. (2013)

hQp://www.mvm.uni-­‐karlsruhe.de  

Any  help  for  biofuel  producMon?  

PotenMal  applicaMons:    v  concentraMon  and  separaMon  è

biofuels, H2 production    v  detecMon  of  pollutants  

h:p://www.mvm.uni-­‐karlsruhe.de  

Large  scale  setup  

People:  o  Philippe  Peyla,  Prof.  o  Michaël  Garcia,  PhD  (2009-­‐2013)  o  Levan  JibuM,  PhD  (2008  –  2011)  o  Stefano  BerM,  Post-­‐Doc  2008  o  Xabel  Garcia,  Master  2011  o  MaQhieu  MarMn,  PhD  (2014  -­‐    o  Ling  Qi,  Master  2013  o  coll:  ChrisMan  Wagner  (Prof  Saarbruck),  MaQhias  Mussler  (PhD,  Saarbruck)  

 

Fundings:  •  Région  Rhône-­‐Alpes/  programme  Cible  •  ANR  JCJC  MicMacSwim  2012-­‐2015  •  Labex  Tec  21  •  Université  Franco-­‐Allemande  

   

18  

LabEdž!Tec!21!–!1ère!journée!«!Méthodes!numériques!»!Vendredi!7!Février!2014!

Amphi!K118!–!LEGI!bâtiment!K!

8h30:!Session!1!:!Principales!méthodes!numériques!:!principe,!potentiel,!développements!

récents,!verrous!(15’+5’)!

! 8h30!:!Méthode!des!éléments!finis!+!SPH!(Stéphane!Grange!Ͳ!3SR!&!Ph.!Larroudé!Ͳ!LEGI)!! 8h50!:!Volume!finis!et!Différences!fines!!(Christophe!Corre!et/ou!Eric!Goncalves!Ͳ�LEGI)!! 9h10!:!Méthode!éléments!discrets!et!Lattice!Botzmann!(Bruno!Chareyre!et/Žu!Vincent!Richefeu!Ͳ3SR)!

9h30!–!9h50!:!Pause!

9h50!:!Session!2!:!Focus!sur!certaines!applications!(présentations!«!Flash!»)!:!problématiques!F!

enjeux!–!verrous!(6’+6’)!

Eléments!finis!/!SPH!:!

• 9h50!:!Méthode!aux!Elements!Finis!avec!Points!d'Intégration!Lagrangiens!!(Frédéric!Dufour!–!3SR)

• 10h12!:!FEEL++!:!Finite!Element!Embedded!Library!in!C++!!(Mourad!Ismael�Ͳ!LIPhy)• 10H24!:!Simulations!d’écoulements!granulaires!et!viscoplastiques!à!surface!libre!par!méthode!SPH

(Guillaume!Chambon!F!IRSTEA)!

• 10H36!:!SPH!:!Applications!à!l’Environnement!Côtier!(Ph.!Larroudé!F!LEGI)

• 10H48!:!Méthode!spectrale!et!«!virtual!boundary!conditions!»!!(Achim!Wirth!F!LEGI)

• 11h00!:!Réduction!de!modèle!!(Guillaume!MaitreJean!F!LRP)

• 11h12!:!Régularisation,!rhéologie!granulaire!et!modèle!biFfluide!(Julien!Chauchat!F!LEGI)

Volumes!finis!/!différences!finis!:!

! 11h24!:!Modèles!aux!volumes!finis!pour!la!simulation!d’écoulements!gravitaires!rapides! (Dominique!

Laigle!F!IRSTEA)!

! 11h36!:!Simulation!des!écoulements!cavitants!en!turbomachines!(Régiane!Fortes!F!LEGI)!

! 11h48!:!Méthode!Level!set!!(Emmanuel!Maitre!F!LJK)!

! 12h00!:!Méthodes!hybrides!lagrangien/eulérien!pour!le!transport!turbulent!(GeorgesFHenri!Cottet!F!LJK)!

! 12h12!:!volumes!finis:!écoulement!compressible!F!systèmes!hyperboliques!!!(Eric!Goncalves!F!LEGI)!

12h24!:!Pause!déjeuner!

LabEdž!Tec!21!–!1ère!journée!«!Méthodes!numériques!»!Vendredi!7!Février!2014!

Amphi!K118!–!LEGI!bâtiment!K!

8h30:!Session!1!:!Principales!méthodes!numériques!:!principe,!potentiel,!développements!

récents,!verrous!(15’+5’)!

! 8h30!:!Méthode!des!éléments!finis!+!SPH!(Stéphane!Grange!Ͳ!3SR!&!Ph.!Larroudé!Ͳ!LEGI)!! 8h50!:!Volume!finis!et!Différences!fines!!(Christophe!Corre!et/ou!Eric!Goncalves!Ͳ�LEGI)!! 9h10!:!Méthode!éléments!discrets!et!Lattice!Botzmann!(Bruno!Chareyre!et/Žu!Vincent!Richefeu!Ͳ3SR)!

9h30!–!9h50!:!Pause!

9h50!:!Session!2!:!Focus!sur!certaines!applications!(présentations!«!Flash!»)!:!problématiques!F!

enjeux!–!verrous!(6’+6’)!

Eléments!finis!/!SPH!:!

• 9h50!:!Méthode!aux!Elements!Finis!avec!Points!d'Intégration!Lagrangiens!!(Frédéric!Dufour!–!3SR)

• 10h12!:!FEEL++!:!Finite!Element!Embedded!Library!in!C++!!(Mourad!Ismael�Ͳ!LIPhy)• 10H24!:!Simulations!d’écoulements!granulaires!et!viscoplastiques!à!surface!libre!par!méthode!SPH

(Guillaume!Chambon!F!IRSTEA)!

• 10H36!:!SPH!:!Applications!à!l’Environnement!Côtier!(Ph.!Larroudé!F!LEGI)

• 10H48!:!Méthode!spectrale!et!«!virtual!boundary!conditions!»!!(Achim!Wirth!F!LEGI)

• 11h00!:!Réduction!de!modèle!!(Guillaume!MaitreJean!F!LRP)

• 11h12!:!Régularisation,!rhéologie!granulaire!et!modèle!biFfluide!(Julien!Chauchat!F!LEGI)

Volumes!finis!/!différences!finis!:!

! 11h24!:!Modèles!aux!volumes!finis!pour!la!simulation!d’écoulements!gravitaires!rapides! (Dominique!

Laigle!F!IRSTEA)!

! 11h36!:!Simulation!des!écoulements!cavitants!en!turbomachines!(Régiane!Fortes!F!LEGI)!

! 11h48!:!Méthode!Level!set!!(Emmanuel!Maitre!F!LJK)!

! 12h00!:!Méthodes!hybrides!lagrangien/eulérien!pour!le!transport!turbulent!(GeorgesFHenri!Cottet!F!LJK)!

! 12h12!:!volumes!finis:!écoulement!compressible!F!systèmes!hyperboliques!!!(Eric!Goncalves!F!LEGI)!

12h24!:!Pause!déjeuner!