Le laboratoire de mécanique des fluides et d’acoustique

Michel Lance

Exposé de l’histoire du Laboratoire d’Acoustique et de Mécanique des Fluides, l’un des principaux laboratoires de l’École Centrale de Lyon, au travers des progrès des disciplines qui constituent encore aujourd’hui le cœur de l’enseignement et de la recherche en mécanique des fluides de l’ECL et des liens entre les travaux des différentes équipes et les industriels

Texte intégral

Naissance et vie d’un laboratoire

1 Lorsqu’en 1857 était créée l’École Centrale Lyonnaise, la mécanique des fluides était encore une discipline naissante. Certes, un siècle plus tôt deux grands savants suisses, Daniel Bernoulli1 et Léonard Euler2 avaient écrit les lois décrivant l’évolution d’un fluide dénué de viscosité, accompagnés de l’encyclopédiste Jean Le Rond d’Alembert3. Les mathématiques de l’époque, qui doivent d’ailleurs beaucoup à ces auteurs, ne permettaient pas d’aller très loin dans la résolution de ces équations. Surtout, la prise en compte de l’amortissement visqueux posait un problème alors insurmontable.

  • 1  Daniel Bernoulli (1700-1782), (...)
  • 2  Léonard Euler (1707-1783), (...)
  • 3  Jean Le Rond d'Alembert (...)

Portrait de George Gabriel Stokes (1819-1903)

2 En cette fameuse année 1857 on connaissait enfin la réponse, depuis peu, puisqu’en 1846 Stokes4 avait publié une démonstration incontestable des équations déduites en 1822 par le français Navier5 qui avait su, le premier, introduire le coefficient de viscosité de manière heuristique. La postérité retiendra ses équations fondamentales pour la mécanique des fluides sous le nom d’équations de Navier-Stokes, oubliant les travaux remarquables de Barré de Saint-Venant6 qui les avait déduites de manière aussi rigoureuse deux ans plus tôt.

  • 4  George Gabriel Stokes (...)
  • 5  Claude Louis Marie Henri Navier (...)
  • 6  Adhémar Barré de Saint-Venant (...)

Portrait de Claude Louis Marie Henri Navier (1785-1836)

3 Cette période du milieu du xix e siècle s’avérait particulièrement féconde, puisque deux autres très grands savants, Helmholtz7 en 1858 et Lord Kelvin8 en 1887, élaboraient la théorie des tourbillons dans les fluides, qui alors représentaient un modèle possible pour les atomes plongés dans un autre fluide bien mystérieux, l’éther. Quelques années passeront encore pour qu’Osborne Reynolds9 publie, en 188310, les résultats de ses fameuses expériences sur l’apparition de la turbulence dans les écoulements, déterminée par le célèbre nombre qui porte son nom. Une variante de cette expérience fondatrice est d’ailleurs encore aujourd’hui proposée aux jeunes centraliens en travaux pratiques…

  • 7  Hermann Ludwig Ferdinand von (...)
  • 8  William Thomson, plus connu (...)
  • 9  Osborne Reynolds (1842-1912) a (...)
  • 10  REYNOLDS, O., 1883. An (...)

Portrait de Osborne Reynolds (1842-1912)

4 Il y a 150 ans donc s’élaborait la mécanique des fluides que nous enseignons maintenant aux étudiants. Qu’apprenaient donc à l’époque nos lointains collègues professeurs à leurs élèves ? Il n’en reste malheureusement peu de traces, mais si l’on s’en réfère aux traités de l’époque, il devait essentiellement être question d’hydraulique pratique et d’irrigation, domaine dans lequel l’empirisme et le savoir–faire régnaient et, il faut l’admettre, permettaient aux ingénieurs de l’époque de réaliser de grandes choses. Car en cette ère de révolution industrielle, les dernières avancées scientifiques n’avaient guère eu le temps de pénétrer l’art de l’ingénieur, qui déjà recherchait des réponses rapides à ses problèmes. La science expérimentale en tirait profit, et ce n’est guère un hasard si Poiseuille11 publiait en 184412 sa fameuse loi donnant la perte de charge dans une conduite. Peut-être les centraliens de l’époque férus d’hydrodynamique navale eurent-ils connaissance des lois de similitudes que Froude13 venait juste de découvrir. Des quatre éléments des alchimistes, seuls l’eau et le feu, avec l’hydraulique et la thermodynamique, concentraient l’attention des ingénieurs. La science de l’air, l’aérodynamique, ne naîtra que bien plus tard avec les débuts de l’aviation et les frères Wight en 1906… Le développement urbain qui accompagnait l’industrialisation allait rapidement poser de sérieux problèmes de logistique, et notamment celui de l’approvisionnement en eau des cités. Il s’agissait là encore d’un problème de mécanique des fluides qu’allait résoudre expérimentalement Henri Darcy14 dans un célèbre ouvrage au titre improbable, Les fontaines publiques de la Ville de Dijon 15, publié en 1856 (encore une coïncidence) dans lequel il donnait pour la première fois les lois régissant l’écoulement d’un fluide dans un milieu poreux.

  • 11  Jean-Louis Marie Poiseuille (...)
  • 12  POISEUILLE, Jean L. Recherches S (...)
  • 13  William Froude (1810-1879), (...)
  • 14  Henry Philibert Gaspard Darcy (...)
  • 15  DARCY, H., 1856. Les fontaines (...)

5Voilà donc le paysage qu’offrait la mécanique des fluides en 1857 : une recherche fondamentale portée par quelques grands physiciens et mathématiciens en quête des lois de la nature, une recherche non moins féconde consacrée aux défis technologiques posés par le développement industriel et les problèmes de société associés. Un tel schéma ne dépaysera pas le lecteur qui reconnaîtra sans doute quelques traits communs avec le panorama actuel…

6Un siècle plus tard, au centenaire de l’école, la discipline était devenue parfaitement mature. Les découvertes du siècle passé faisaient maintenant partie du bagage de tout étudiant en sciences, l’aérodynamique constituait une véritable discipline, l’acoustique dont Lord Rayleigh16 fut un des pionniers était en plein développement. Des méthodes de résolution approchées des équations et des théories asymptotiques permettaient d’aborder un grand nombre de problèmes pratiques. L’aéronautique, en 1957, constituait sans aucun doute le principal domaine d’application des recherches en mécanique des fluides, et l’existence d’un ministère de l’air en France montrait bien l’importance stratégique que revêtait cette discipline. Les besoins en recherche étaient le plus souvent confiés à l’ONERA17, organisme créé précisément pour cela, et la formation des Ingénieurs en Aéronautique à des écoles spécialisées comme SupAéro, l’ENSICA18 et l’ENSMA19 à Poitiers. Un autre domaine encore en plein essor était la production d’énergie hydro-électrique, qui avait entraîné la création de l’ENSHMG 20 dans l’entre-deux guerres. Mais à côté de ces lignes forces bien identifiées le formidable développement industriel accompagnant cette période des Trente Glorieuses suscitait de nouveaux problèmes technologiques dans lesquels la Mécanique des Fluides était fortement impliquée. Il devint vite nécessaire d’intégrer une formation avancée à cette discipline dans le cursus d’un ingénieur généraliste. L’École Centrale de Lyon fut certainement une des premières grandes écoles à répondre à ce besoin, et ceci d’autant plus efficacement que l’enseignement s’y trouvait complètement adossé à un laboratoire de recherche à l’écoute des problèmes industriels. Cette alchimie réussie fut l’œuvre du Professeur Jean Mathieu lorsqu’il rejoignit l’École en 1959. L’histoire de ces débuts ne saurait être mieux racontée que par lui-même :

  • 16  John William Strutt Rayleigh (...)
  • 17  Office national d'études et de (...)
  • 18  École Nationale Supérieure (...)
  • 19  École Nationale Supérieure de (...)
  • 20  École Nationale Supérieure (...)

« Quand je pris mes fonctions à l’École Centrale de Lyon, en 1959, il existait quelques installations d’aérauliques fort bien illustrées par les quelques photos que le directeur du laboratoire actuel, le professeur Michel Lance, a recueillies. Je les aime car elles montrent à la fois leur âge et le goût du volumineux, ce caractère que la formation d’ingénieurs portait en filigrane. Cette machinerie existait du reste lorsque j’étais élève puis chargé de cours. Ce sont donc bien là les monuments d’une époque. Ne nous y trompons pas, l’école était en ce temps convenablement équipée vis-à-vis de ses rivales, mais ce volet de l’enseignement n’avait fait l’objet d’aucun soin particulier. Nul doute qu’il fallait insuffler une nouvelle vie. Rapidement apparut un budget modeste de recherche que le directeur Comparat partagea entre la mécanique des fluides et la métallurgie. Du point de vue des orientations scientifiques, on ne pouvait guère s’appuyer que sur ce qui avait été mon expérience passée : expérience d’ingénieur acquise chez Ventil21 et à l’Onera 22 – expérience universitaire née du stage au laboratoire de l’université de Grenoble.

  • 21  Constructeur aéraulicien (...)
  • 22  Office National d’Études et (...)

Afin de créer une ouverture universitaire dans les plus brefs délais, une option fut prise au départ sur les problèmes de turbulence. Bien évidemment, les sujets traités à l’ Onera auraient aussi pu servir de tremplin mais dans cet organisme mes travaux portèrent essentiellement sur les écoulements à grande vitesse, voire à très grande vitesse, et ni le matériel, ni les fonds de recherche ne permettaient de soutenir ce type d’investigation. Je retins donc comme point d’ancrage la turbulence que j’avais doublement fréquentée : à l’ Onera avec les problèmes de mise au point de soufflerie dont j’étais chargé, à l’université de Grenoble lors de ma thèse sur les flammes tièdes. Quelques travaux expérimentaux nous permirent de maintenir un double flirt avec les industries locales (Ets Ventil et la Sigma 23). Une recherche modérément ambitieuse et assez bien cadrée permit de sortir quelques publications dont certaines fortifiaient les résultats expérimentaux découverts lors de ma thèse. Ce travail fut suffisant pour attirer l’attention de la Dret 24, puis du cnrs. Dans un contexte administratif difficile (l’intendance de l’époque n’avait jamais connu de tels exploits), je dois au directeur P. Comparat d’avoir soutenu nos efforts. C’est aussi pour moi un plaisir de dire ô combien rapidement la dret et le cnrs 25 s’associèrent à nos tentatives.

  • 23  Société Industrielle (...)
  • 24  Direction des Recherches, (...)
  • 25  Centre National de la Recherche (...)

La situation ne fut finalement pas aussi difficile que l’on eut pu le craindre. Travaillant au jour le jour, on arriva enfin à l’époque de la reconstruction (1967) et à l’installation à Écully. Des liens de plus en plus forts se tissèrent avec l’industrie aéronautique par l’intermédiaire de la dret et avec le laboratoire de recherche de l’edf 26 à Chatou27.

  • 26  Électricité de France
  • 27  Laboratoire EDF à Chatou

Cette mutation nous amena à redéployer ce volet de recherche appelé turbulence en plusieurs sous-ensembles dont nous dirons ici quelques mots laissant aux responsables actuels de ces recherches le soin de vous introduire plus avant. Le phénomène central qui anime les recherches en turbulence – je veux parler de celui appelé « fermeture des équations de base » – avait ceci d’inquiétant c’est qu’il constituait une sorte de barrière quasi infranchissable. On mit en place une structure diversifiée qui nous introduisit davantage auprès de milieux industriels que j’aimais à fréquenter. Ainsi prirent corps quatre sous-ensembles que l’on peut désigner ainsi :

- Groupe turbulence à mission fondamentaliste

- Groupe acoustique qui examine les modes de création du bruit dans un écoulement turbulent

- Groupe turbomachines dont le nom est à lui seul un programme

- Groupe diphasique qui cherche à saisir l’évolution des milieux multiphasiques (air et eau par exemple)

Des relations se créèrent et s’étoffèrent alors avec amd 28, la Snecma 29, l’edf, le CENG30.

  • 28  Avions Marcel Dassault
  • 29  Société nationale d'étude et (...)
  • 30  Centre d'études nucléaires de (...)

Je laisse au directeur et à ceux qui sont en charge de ces groupes de vous introduire mieux que je ne saurais le faire dans les activités de ce jour. Leur compétence et leur dynamisme nous ont permis de vaincre bien des difficultés, de parcourir de nombreux sentiers. On saisira en passant comment cette confrontation industrie recherche a pu devenir bien plus qu’un vœu pieux. Elle s’articule très bien avec des constructeurs de machines sophistiquées telles celles rencontrées en aéronautique (cellule ou propulseur). »

L’évolution

7Quand en 1985 le professeur Mathieu laissa la direction à son successeur, le professeur Jean Bataille, le modeste laboratoire des débuts était devenu une unité de recherche associée au cnrs, ce qui témoignait d’une reconnaissance de la qualité des recherches menées ainsi que sa forte visibilité dans le monde industriel. Sur ce dernier point, le professeur Mathieu avait eu très tôt, grâce à son expérience personnelle, une vision claire de ce que devait être la recherche partenariale université-entreprises. Etre à l’écoute des problèmes posés par les industriels, y trouver une source d’inspiration inépuisable de défis scientifiques, répondre aux problèmes posés (et non pas seulement à ceux que l’on sait déjà résoudre !), ne faire aucune concession sur la rigueur et la qualité de la recherche, voilà l’enseignement qu’il faisait passer aux membres de son laboratoire. Afin d’assurer une meilleure réactivité vis-à-vis des sollicitations industrielles, il avait avec d’autres membres du laboratoire créé une société partenaire, Métraflu, indissociable de l’histoire du lmfa, qui a permis à ce dernier de se doter des moyens humains et matériels que ni le cnrs ni l’ECL ne pouvaient fournir. Une telle initiative, qui serait aujourd’hui complètement dans l’air du temps, demandait un certain courage, il y a trente ans, à une époque où dans sa majorité l’intelligentsia universitaire française considérait les relations université-industrie au mieux comme un dévoiement, au pire comme une hérésie. Le développement du laboratoire doit beaucoup à cette association, qui prit une autre forme en 1998 avec la fusion de Métraflu et de Centrale Lyon Innovation31. Le lmfa attirait également des scientifiques étrangers de haut niveau, et toute une génération de chercheurs restera marquée par l’influence des Corrsin, Kestin, Lumley, Launder, Ffowcs-Willams, Hunt et autres grands noms de la mécanique des fluides et de l’acoustique qui contribuèrent largement au développement des relations internationales de l’école.

  • 31  Centrale Lyon Innovation S.A, (...)

8On l’a vu plus haut, le développement de l’aéronautique était, des années soixante aux années quatre-vingt, le principal moteur des recherches en mécanique des fluides. L’aviation militaire, via Dassault, avait besoin de modèles de turbulence très évolués pour intégrer les effets de différentes phases de vol sur l’aérodynamique de l’avion de chasse. Grâce au support de la dret se développa au laboratoire une compétence sur les couches limites décollées et la modélisation de la turbulence. En rejoignant le laboratoire, le professeur Geneviève Comte-Bellot avait apporté sa maîtrise de l’anémométrie à fil chaud et transmis son savoir-faire aux jeunes chercheurs d’alors, qui firent de la mesure des caractéristiques statistiques des écoulements turbulents un des points forts de l’équipe lyonnaise. Ces années furent également une période de développement pour d’autres thématiques scientifiques autour de problèmes variés, dont certains restaient connexes à l’aéronautique, mais dont beaucoup d’autres touchaient des secteurs économiques assez différents. L’acoustique, axée plus particulièrement sur le bruit produit par les écoulements, s’organisa autour d’une équipe menée par le professeur Comte-Bellot et ne tarda pas à acquérir une large reconnaissance. Les équipements disponibles alors s’avérèrent vite insuffisants pour aborder de manière réaliste les problèmes liés à ce que l’on nomme maintenant l’aéroacoustique. Geneviève Comte-Bellot parvint à convaincre les différentes tutelles de construire un grand instrument adapté aux besoins industriels, projet qui aboutit à la réalisation d’une chambre anéchoïque couplée à une soufflerie supersonique unique en milieu universitaire à cette époque. Cette genèse du centre acoustique du lmfa et les enjeux de la discipline sont évoqués par Geneviève Comte-Bellot dans le présent ouvrage.

9Les recherches sur les turbomachines prirent vraiment leur essor grâce à la venue du professeur K. Papaillou, qui créa une équipe autour de la problématique des écoulements tridimensionnels dans les compresseurs d’aviation. D’importants bancs expérimentaux de turbomachines virent alors le jour, qui placèrent le lmfa dans une situation relativement unique dans le paysage national et en firent un partenaire privilégié des constructeurs comme Snecma et Turbomeca.

10Le lmfa accompagna également le développement du nucléaire en France, en partenariat avec edf et le cea Grenoble. Le cas d’edf offre un des premiers exemples de ce qui deviendra plus tard « l’externalisation de la recherche », en implantant à l’ecl, en 1977, sa grande soufflerie de diffusion atmosphérique qui devait lui permettre d’étudier l’impact de l’installation des centrales sur l’environnement, en fonctionnement normal et en cas d’accident. La gestion de la soufflerie et l’organisation des essais étaient confiées à une équipe du lmfa, autour du professeur J.P. Schon. La soufflerie fut plus tard cédée à l’école par edf.

11Le cea s’intéressait à la sécurité des réacteurs, et cherchait alors à développer des compétences universitaires dans le domaine des écoulements diphasiques. Le professeur Bataille releva le défi et mis en place une équipe de recherche sur les écoulements diphasiques, avec l’auteur de ces lignes.

12Un autre secteur en plein développement était l’automobile. Le fossé était alors grand entre l’aéronautique et l’automobile. Quand la première utilisait déjà largement les possibilités offertes par la simulation numérique des écoulements, la seconde en était encore, dans les années quatre-vingt, aux méthodes empiriques et aux essais systématiques. Les choses devaient rapidement évoluer, et en moins de dix ans le secteur automobile fit mieux que rattraper son retard. Les grands constructeurs, comme Renault et PSA, eurent la sagesse de suivre l’exemple de l’aéronautique et d’embaucher massivement des ingénieurs formés par la recherche ayant préparé une thèse dans les laboratoires des grandes écoles, dont bien évidemment l’ecl. Le transfert des recherches amont vers les bureaux d’études s’en trouva fortement accéléré, et les anciens étudiants d’hier ne furent pas les moins exigeants vis-à-vis de la qualité des travaux menés dans leurs anciens laboratoires ! C’est dans ce contexte que se développa au lmfa une spécialité en aérodynamique interne des moteurs, sous l’impulsion de Georges Charnay, s’appuyant sur des compétences en méthodes de diagnostics optiques (anémométrie laser à effet Doppler), et sur la modélisation numérique. Le professeur Mathieu, anticipant les besoins des industriels, souhaitait également que le laboratoire fût présent dans le domaine des milieux réactifs, c’est-à-dire de la combustion et des réactions chimiques, ce qui donna naissance à des recherches très actives.

13C’est ainsi que le noyau dur initial constitué autour de l’étude de la turbulence s’enrichit d’un spectre large de compétences, couvrant un vaste champ scientifique et particulièrement bien adapté pour répondre aux problèmes scientifiques posés par les industriels. Bien évidemment cette évolution des recherches se traduisit par un élargissement de l’offre de formation proposée aux jeunes centraliens. L’option mécanique, en 1976, comprenait en deuxième année un cours de mécanique des fluides, et en troisième année, un cours avancé de mécanique des fluides, des cours d’acoustique, de turbulence, de turbomachines, de thermodynamique des milieux continus, qui devaient ensuite s’enrichir des transferts de masse et de chaleur, de combustion, d’écoulements polyphasiques, de méthodes numériques pour la mécanique des fluides… L’heure n’était pas encore à la réduction de la durée des cours, et les étudiants motivés avaient la possibilité d’acquérir une sérieuse formation en mécanique des fluides et en acoustique ! Un autre grand chantier réalisé dans ces années soixante-dix fut l’organisation d’un véritable troisième cycle, apte à former les futurs doctorants, et la création presque ab nihilo des enseignements de mécanique à l’université. L’opposition exacerbée par certains entre université et école d’ingénieurs fait un peu oublier que longtemps les frontières étaient singulièrement perméables, et que nombre d’enseignants universitaires œuvraient à Centrale, tandis que des enseignants de l’ecl montaient des enseignements complets à l’université… Ce fut le cas de Jean Mathieu et Geneviève Comte-Bellot, et des professeurs Godet et Lalanne à l’Insa, relayés ensuite par Jean Bataille, qui créèrent la première uer 32 de mécanique à l’université Lyon-133. La création du pres 34 de Lyon repose sur une longue tradition d’échanges entre écoles et universités.

  • 32  Unité d’Enseignement et de (...)
  • 33  Université Claude Bernard (...)
  • 34  Pôle de Recherche et (...)

14La période qui suivit la prise de fonction du professeur Jean Bataille en 1985 fut aussi celle de la révolution informatique. La mécanique des fluides était déjà, depuis longtemps, utilisatrice des moyens de calcul lourds, et la recherche de méthodes numériques performantes pour résoudre les équations de Navier-Stokes faisait preuve d’un grand dynamisme. Le lmfa s’était engagé en particulier dans la voie des éléments finis, chers au professeur Maître, afin de bâtir un code de calcul adapté aux géométries industrielles complexes qui allait plus tard aboutir à m3s-natur. Le calcul scientifique et les méthodes numériques en mécanique des fluides allaient entrer dans le cursus des étudiants, déjà très attirés alors par les « nouvelles technologies » et les progrès des ordinateurs. Le lmfa fut le premier laboratoire de l’ecl à mettre en place un réseau informatique interne et à se connecter au réseau ArpaNet35, ancêtre de l’Internet moderne. Dans un contexte où les laboratoires de recherche français étaient, dans leur immense majorité, sous-équipés en moyens informatiques, le lmfa put acquérir des machines performantes grâce à ses ressources contractuelles. Celles-ci permirent de conforter sa position de laboratoire de pointe dans le domaine du calcul en mécanique des fluides. Cette période fut aussi celle des débuts de la structuration de la recherche à l’échelle européenne. Jean Mathieu, avec Pierre Perrier, de Dassault, avaient été à l’origine de l’organisation européenne Ercoftac 36 qui regroupait la majorité des équipes travaillant en mécanique des fluides, combustion, turbulence et acoustique en Europe. Sous l’impulsion de Jean Bataille, le lmfa fut un élément moteur de cette construction, qui aboutit en particulier à la création du centre pilote Pepit Lyon-Grenoble, maintenant centre Henri Bénard37.

  • 35 Advanced Research Projects Agency (...)
  • 36 European Research Community On (...)
  • 37  Centre Henri Bénard, [En (...)

15Un autre volet important dans les années 1985-1990 fut l’évolution des relations entre le laboratoire et les établissements d’enseignement supérieur lyonnais. L’École Centrale de Lyon mettait en place des départements d’enseignement et de recherche qui devaient intégrer les laboratoires. Cette évolution des structures allait à l’encontre de la relative autonomie dont jouissaient les laboratoires et instaurait une dualité délicate entre responsables de laboratoires et de départements qui mit un certain temps à trouver son équilibre. Le développement de la mécanique sur Lyon-1, grâce à l’action de Jean Bataille, Jean-Noël Gence et Bernard Gay, engendrait des recrutements d’enseignants-chercheurs, qui effectuaient leur recherche à l’ecl. Il devint vite nécessaire de clarifier le statut de ces derniers, ce qui fut fait en 1991 avec la contractualisation du lmfa comme umr 38 cnrs-ecl-ucb Lyon-139.

  • 38  Unité Mixte de Recherche
  • 39  ucbl (...)

16Le développement en taille du lmfa prit encore d’autres proportions sous la direction du professeur Denis Jeandel, de 1990 à 2002. Le recrutement de chercheurs du cnrs connut une période faste, et l’explosion des besoins en enseignement à l’ecl et à l’ ucbl conduisit à une forte augmentation de la population du lmfa, qui doubla pratiquement en une quinzaine d’années. Le lmfa fut également sollicité pour intervenir dans la restructuration de la mécanique des fluides et de l’énergétique à l’échelle lyonnaise. La politique des années quatre-vingt-dix allait vers la constitution de grosses entités de recherche, par absorption d’équipes devenues sous-critiques avec les critères de l’époque. Ainsi, le laboratoire de machines thermiques de l’ecl, qui joua un rôle considérable dans l’histoire des relations industrielles de l’école grâce à une forte visibilité dans le secteur automobile, se trouva-t-il en situation de devoir se regrouper avec un autre laboratoire, en l’occurrence le lmfa. Ce laboratoire, fondé par Auguste Moiroux, disposait de cellules d’essais de moteurs qui furent largement utilisées pour des actions de recherche et développement avec les industriels de l’automobile, comme rvi 40 dont l’implantation à Lyon favorisait le recrutement de jeunes centraliens. L’évolution rapide des technologies dans le secteur conduisit les constructeurs à développer leurs propres centres de recherche et à prendre en charge nombres d’essais techniques autrefois confiés aux laboratoires appliqués. Poussée par des jeunes ingénieurs formés par la recherche, la modélisation commençait à pénétrer de plus en plus le monde de la conception automobile et contribua à redéfinir la nature des études confiées aux universitaires.

  • 40  Renault Véhicules Industriels

17Il s’agissait d’aller plus loin dans la compréhension de tel ou tel phénomène limitant pour la technologie envisagée, ce qui déplaça le niveau des recherches vers l’amont. La fusion des cultures, dans un contexte mouvant, ne se fit pas sans difficulté pour les personnels des deux laboratoires et demanda du temps. Les nouveaux contours de umr 5509 furent finalement agréés par le cnrs en 1997. Parallèlement, les activités d’enseignement assurées par le laboratoire de machines thermiques furent regroupées, avec la mécanique des fluides et l’acoustique, au sein d’un même département d’enseignement de l’ecl, le mfae (Mécanique des Fluides, Acoustique, Énergétique).

18Un autre rôle fut également confié au laboratoire, qui allait définitivement asseoir sa position régionale. Le laboratoire de mécanique des fluides de l’Insa se trouva, lui aussi, pris dans la vague du « big is beautiful » et fut invité à se rapprocher du lmfa. Un long travail de développement de recherches communes aboutit, en 2003, à l’intégration complète de l’équipe de mécanique des fluides de l’Insa au sein du lmfa. Afin de conserver toute sa visibilité à cette nouvelle composante du laboratoire, il fut décidé qu’elle serait porteuse d’une thématique spécifique, l’hydrodynamique environnementale, au sein du groupe fluides complexes et transferts.

Le présent

19Les regroupements successifs mentionnés plus haut aboutirent aux contours actuels du laboratoire, qui désormais dépassent le cadre de la seule École Centrale de Lyon. Unité mixte pluri-établissements, sous la tutelle du cnrs, de l’ECL, de l’université Lyon-1 et de l’Insa de Lyon, le lmfa accueille en 2007 une centaine de permanents et une soixantaine de doctorants.

20L’activité scientifique actuelle du lmfa couvre un grand nombre d’aspects de la mécanique des fluides et de l’acoustique et s’ancre profondément au sein des sciences pour l’ingénieur. C’est dire que les recherches trouvent le plus souvent leur inspiration dans l’activité humaine et ses conséquences, tant économiques qu’environnementales. Il est d’ailleurs frappant de noter un changement radical dans la nature des problèmes scientifiques abordés par le laboratoire. En effet, à côté des questions fondamentales, liées par exemple à la compréhension de la turbulence ou des instabilités hydrodynamiques, les problèmes appliqués relèvent de plus en plus de la relation de l’homme à son environnement. Le but du lmfa, à ses débuts, était d’accompagner le développement industriel des Trente Glorieuses, en élaborant des outils de conception pour lesquels l’efficacité maximale constituait la cible première. Il lui est demandé maintenant de combattre les excès d’une recherche de la performance inconsciente de ses conséquences. Rien ne sert de se voiler la face, un des objectifs majeurs de la recherche du siècle présent doit être d’aider les hommes à continuer de vivre sur leur planète…

21C’est dans cette voie que s’est engagé le laboratoire, soutenu par l’école qui a inscrit la problématique de l’environnement, des transports et de l’énergie dans ses priorités, tant dans le cadre de la recherche que de celui de l’enseignement. Les équipes du laboratoire mettent à profit leurs recherches sur les mécanismes fondamentaux de la mécanique des fluides, de l’acoustique, des transferts de masse et de chaleur pour apporter des solutions à la réduction des nuisances, du bruit et de la pollution atmosphérique, et de la consommation énergétique des systèmes de propulsion automobile et aéronautique.

22Puisque ce texte est destiné à montrer l’évolution d’une discipline et d’un laboratoire, qu’il me soit permis de fournir au lecteur curieux quelques détails sur les recherches actuelles. Certes, il ne s’agit que d’un instantané dont l’actualité sera bien vite fanée. Les sujets traités sont présentés en recherches amont et recherches finalisées, bien que la frontière entre les deux ne soit guère qu’une convention.

Recherches amont

23La transition vers la turbulence et plus généralement l’étude des instabilités hydrodynamiques fait l’objet d’un effort significatif, tant sur le plan théorique qu’expérimental. Le laboratoire s’intéresse plus particulièrement aux instabilités en présence de paroi, qui donnent souvent lieu à des transitions sous-critiques encore mal comprises.

24Les milieux complexes sont abordés à travers les écoulements polyphasiques, le laboratoire se positionnant sur la recherche des lois de comportement macroscopique des écoulements à phase dispersée (bulles, gouttes, particules).

25Les phénomènes couplés sont au cœur des préoccupations de plusieurs équipes du laboratoire. L’intérêt se focalise plus particulièrement sur la convection thermique, la convection thermo-solutale, l’effet de champ magnétique en acoustique sur les instabilités de convection, la thermo-acoustique.

26La recherche en aéroacoustique est devenue un des points forts du laboratoire. L’identification et la modélisation des mécanismes physiques responsables de la génération de bruit dans les écoulements constituent l’objectif prioritaire de ces études. Le développement des méthodes de simulation numérique très précises, permettant la simulation directe des champs acoustiques. La propagation acoustique dans les milieux hétérogènes constitue un thème important que le laboratoire aborde au travers de la modélisation par équations paraboliques. Les effets non linéaires en propagation acoustique posent de nombreuses questions fondamentales qu’on retrouve en particulier dans le problème encore ouvert de la propagation du bang sonique.

27Le lmfa consacre un effort de recherche important sur les méthodes de résolution des équations de Navier-Stokes faiblement compressibles, domaine dans lequel il possède une réelle expertise, notamment sur le comportement des schémas numériques, le traitement des conditions aux limites, des géométries complexes via les éléments finis non structurés. La modélisation de phénomènes physiques complexes comme la turbulence, les écoulements, les écoulements diphasiques, les effets thermo-diffusifs, la dispersion de scalaire passif ou non, les milieux réactifs est au cœur de l’activité de tous les groupes de recherche du lmfa. Les recherches font largement appel aux approches multi-échelles.

28Le contrôle des écoulements, en vue de la maîtrise des instabilités, de la réduction du bruit, de la traînée aérodynamique, de l’optimisation des performances des moteurs d’avion, ou encore de l’amélioration de procédés, est un thème fortement soutenu par le laboratoire. Plusieurs stratégies de contrôle sont abordées : contrôle passif (par contrôle de la croissance des modes instables), contrôle actif (par jets synthétiques ou microjets). Le développement des micro et nanotechnologies ouvre de nouvelles perspectives en termes d’activateurs (Mems 41), de matériaux ou de surfaces fonctionnalisés pour l’acoustique ou les transferts thermiques fluide-paroi. La microfluidique a connu un développement significatif, grâce à une démarche volontairement multidisciplinaire, en association avec les physico-chimistes et des spécialistes des microtechnologies. L’enjeu est la constitution de « laboratoires sur puces » destinés à la détection précoce des maladies graves.

  • 41  Micro Electro Mechanical Systems

Recherches finalisées

Le domaine des transports

29Dans ce domaine, les efforts portent sur plusieurs thématiques.

30Les turbomachines : les études portent principalement sur les compresseurs axiaux de moteurs d’avions, mais aussi sur les machines centrifuges et les turbopompes de la fusée Ariane. Les recherches menées au lmfa en partenariat avec Safran/Snecma visent à comprendre les mécanismes physiques complexes régissant l’aérodynamique des machines tournantes à partir d’une démarche expérimentale associée à la simulation numérique.

31La conception de l’avion du futur : l’enjeu est la réduction du bruit des avions, qu’il soit lié à l’aérodynamisme de l’appareil ou à sa motorisation. Les stratégies mises en œuvre impliquent en particulier le contrôle actif du bruit de jet, le développement d’absorbants acoustiques actifs, la modélisation du bruit à large bande.

32Les nouvelles motorisations : les recherches portent principalement sur l’injection du carburant à très haute pression et sur l’aérodynamique des chambres de combustion.

33Le transport ferroviaire : la diminution du bruit aérodynamique des tgv 42 constitue le principal objectif des études conduites au laboratoire pour la Sncf, notamment par une meilleure maîtrise des sources aéro-acoustiques.

  • 42  Train à Grande Vitesse

Les nuisances environnementales et les risques

34Cette problématique se retrouve à travers plusieurs centres d’intérêts.

35Les transferts de masse dans l’atmosphère : il s’agit d’obtenir des modèles prédictifs de la dispersion atmosphérique de constituants passifs ou réactifs, ou encore d’aérosols et de particules solides, de l’échelle de la rue à celle de l’agglomération urbaine, voire plus encore pour l’étude des processus de désertification.

36L’hydrologie environnementale est la thématique principale de l’équipe environnement du lmfa implantée sur le campus de l’Insa et concerne surtout les écoulements fluviaux (transport particulaire, lits composés) et l’hydraulique urbaine.

37Les bruits et nuisances sonores font l’objet de recherches sur l’identification des sources, leur modélisation et leur traitement. Un effort important est fait dans le domaine de la réduction de la transmission vibro-acoustique. Par ailleurs, le bruit des automobiles, qui rejoint la problématique des transports, donne lieu à des actions suivies avec les constructeurs.

38Les risques industriels sont envisagés au niveau du rejet accidentel de gaz toxiques ou inflammables sur les sites industriels. La question posée est celle de la prédiction des champs de concentration au voisinage des sources d’émissions.

39Les risques naturels abordés au laboratoire sont associés aux inondations en milieu urbain (avec notamment la dynamique des écoulements aux intersections de rues), au crues de rivières, mais aussi aux situations cycloniques.

40Les aménagements urbains et routiers font également partie des préoccupations du laboratoire, au plan de leur impact environnemental comme des risques associés. Une collaboration suivie avec le Cetu 43met en avant la question de la gestion des incendies en tunnel, qui doit s’appuyer sur des modèles réellement prédictifs incluant la physique particulière de ce type d’accident (confinement, stratification).

  • 43  Centre d’Études des Tunnels

Le secteur de l’énergie

41Les études relevant du secteur de l’énergie et de son utilisation portent principalement sur deux points.

42L’optimisation des procédés fluides : l’objectif est l’optimisation des procédés de fabrication, par exemple les réacteurs chimiques, qui peut impliquer des gains énergétiques significatifs. La méthodologie est fondée sur une approche expérimentale des mécanismes de base, qui nécessite souvent le développement de moyens de diagnostics adaptés, et sur l’élaboration de modèles implantables dans les codes de CFD utilisés industriellement.

43Les microturbines, les hydrauliennes et les technologies associées aux piles à combustible ont fait l’objet récemment d’une attention soutenue au laboratoire, dans le cadre de diverses sollicitations industrielles.

Le lmfa en 2057 ?

44Après avoir brossé l’histoire du laboratoire, qui correspond à peu de choses près à celle de ces derniers cinquante ans, il est tentant de se demander ce que sera celui-ci lors du bicentenaire de l’école… Les modes de structuration de la recherche évoluent trop vite pour qu’on puisse spéculer sur la forme que revêtira la communauté des chercheurs, enseignants et techniciens qui ont pris et qui prendront part à cette aventure humaine. L’inconnue principale cependant est celle de l’avenir de la discipline elle-même. Durant le demi-siècle passé, les progrès accomplis, en mécanique des fluides comme en acoustique, ont été incontestablement spectaculaires. Malgré tout, ces enchevêtrements fugaces et insaisissables de tourbillons qui fascinaient déjà Léonard de Vinci ont gardé tout leur mystère, de même que ces cascades liquides se brisant en myriades de gouttelettes. Tout au plus sait-on les reproduire grâce à des moyens de calcul de plus en plus puissants. Il est presque certain que les ordinateurs de 2057 sauront résoudre les équations de Navier-Stokes avec suffisamment de rapidité et de précision pour satisfaire la plupart des applications et que les trésors d’ingéniosité déployés par des générations de chercheurs seront alors oubliés car plus enseignés, comme cela commence déjà à être le cas… Le pouvoir de reproduire à volonté les phénomènes naturels par la magie de l’ordinateur a quelque chose de fascinant qui ne saurait cependant satisfaire le besoin fondamental de comprendre. Peut-être les chercheurs viendront-il à bout du problème de la turbulence dans les prochaines décades, aidés par ces expériences numériques, ou peut-être encore des progrès des mathématiques… Quand bien même ce dernier problème ouvert de la physique macroscopique trouverait son maître, la complexité des phénomènes associés aux fluides serait loin d’être épuisée. Les couplages entre phénomènes physiques relevant de disciplines différentes offriront encore, à n’en pas douter, un champ d’investigation inépuisable pour les mécaniciens des fluides du futur…

Notes

1  Daniel Bernoulli (1700-1782), médecin, physicien et mathématicien suisse

2  Léonard Euler (1707-1783), mathématicien et physicien suisse

3  Jean Le Rond d'Alembert (1717-1783)

4  George Gabriel Stokes (1819-1903), physicien et mathématicien britannique

5  Claude Louis Marie Henri Navier (1785-1836), ingénieur et scientifique français

6  Adhémar Barré de Saint-Venant (1797-1886), physicien et mathématicien français

7  Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz (1821-1894), physicien

8  William Thomson, plus connu sous son titre de lord Kelvin (1824-1907), un des plus célèbres physiciens britanniques du xix e siècle

9  Osborne Reynolds (1842-1912) a réalisé de nombreuses études en hydrodynamique, notamment sur les divers régimes d'écoulement des liquides et des fluides visqueux

10  REYNOLDS, O., 1883. An Experimental Investigation of the Circumstances Which Determine Whether the Motion of Water Shall Be Direct or Sinuous, and of the Law of Resistance in Parallel Channels. Proceedings of the Royal Society of London (1854-1905), 1883, The Royal Society pp 84-99. Disponible sur < http://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k56129f.table >

11  Jean-Louis Marie Poiseuille (1799-1869), médecin et physiologiste français à l’origine de travaux précurseurs sur la circulation du sang

12  POISEUILLE, Jean L. Recherches Sur Le Mouvement Des Liquides Dans Les Tubes De Très Petits Diamètres. Paris: s. n, 1844. On pourra consulter avec intérêt les références suivantes : ARAGO, BABINET, PIOBERT and REGNAULT, 1842. Rapport fait à l'Académie des Sciences, le 26 décembre 1842, au nom d'une commission composée de MM. Arago, Babinet, Piobert, Regnault rapporteur, sur un Mémoire de M. le docteur Poiseuille, ayant pour titre : Recherche expérimentales sur le mouvement des liquides dans les tubes de très-petits diamètres. Annales de chimie et de physique. 1843. Paris: Crochard, 1816-1913, pp. 50. Disponible sur < http://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k34748g/f1.table >, et POISEUILLE, J.L., 1847. Recherche expérimentales sur le mouvement des liquides dans les tubes de très-petits diamètres. Annales de chimie et de physique, Série 3 (Tome 7), pp. 76 Disponible sur <http://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k347621.table>

13  William Froude (1810-1879), ingénieur, hydrodynamicien et architecte naval britannique

14  Henry Philibert Gaspard Darcy (1803-1858), hydraulicien français

15  DARCY, H., 1856. Les fontaines publiques de la ville de Dijon : Exposition et application des principes a suivre et des formules a employer dans les questions de distribution d'eau; ouvrage terminé par un appendice relatif aux fournitures d'eau de plusieurs villes au filtrage des eaux et a la fabrication des tuyaux de fonte, de plomb, de tôle et de bitume. Paris: Victor Dalmont, Libraire des Corps impériaux des ponts et chaussées et des mines. Disponible sur < http://gallica2.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k624312.image.f2 >

16  John William Strutt Rayleigh lord (1842-1919), physicien anglais, prix Nobel de physique en 1904 pour sa découverte de l'argon

17  Office national d'études et de recherches aérospatiales

18  École Nationale Supérieure d'Ingénieurs de Constructions Aéronautiques

19  École Nationale Supérieure de Mécanique et d'Aérotechnique

20  École Nationale Supérieure d’Hydraulique et de Mécanique de Grenoble

21  Constructeur aéraulicien lyonnais. Je passais trois années enrichissantes dans cet établissement (1945-1947)

22  Office National d’Études et de Recherches Aéronautiques. Je travaillais alors au devenir du Centre de Modane (1947-1955)

23  Société Industrielle Générale de Moteurs d'Aviation

24  Direction des Recherches, Études et Techniques

25  Centre National de la Recherche Scientifique

26  Électricité de France

27  Laboratoire EDF à Chatou

28  Avions Marcel Dassault

29  Société nationale d'étude et de construction de moteurs d'aviation

30  Centre d'études nucléaires de Grenoble

31  Centrale Lyon Innovation S.A, filiale de valorisation de l'École Centrale de Lyon

32  Unité d’Enseignement et de Recherche

33  Université Claude Bernard Lyon-1

34  Pôle de Recherche et d’Enseignement Supérieur

35 Advanced Research Projects Agency Network, premier réseau de transfert de paquets créé par la Defense Advanced Research Projects Agency (Darpa) en 1969

36 European Research Community On Flow, Turbulence And Combustion

37  Centre Henri Bénard, [En ligne] < http://www.lmfa.ec-lyon.fr/Henri.Benard/presentation/ > (consulté le 09/10/08)

38  Unité Mixte de Recherche

39  ucbl

40  Renault Véhicules Industriels

41  Micro Electro Mechanical Systems

42  Train à Grande Vitesse

43  Centre d’Études des Tunnels

Pour citer ce document

Michel Lance, «Le laboratoire de mécanique des fluides et d’acoustique», Histoire de l'École Centrale de Lyon [En ligne], Enseignement et Recherche en Sciences pour l'Ingénieur, Mémoire de l'École Centrale de Lyon, mis à jour le : 10/04/2009, URL : http://histoire.ec-lyon.fr/index.php?id=768.