23/2/2017, visite de l'Institut de mécanique des Fluides

L’Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse (IMFT) qui vient de fêter ses 100 ans, nous a ouvert ses portes le jeudi 23 février. Notre groupe, d’une trentaine de personnes, s’est retrouvé devant les grands bâtiments de l’Institut qui se trouvent en bordure de Garonne. Nous y avons été cordialement accueillis par le Directeur, Eric Climent, qui nous a fait une présentation générale du laboratoire.

L’histoire de l’Institut remonte à 1913 avec la création par le Professeur Charles Camichel d’un laboratoire d’hydraulique au sein de l’Institut d’Electrotechnique de Toulouse, (IET, aujourd’hui ENSEEIHT), situé en centre-ville. Dès 1920 le laboratoire prend son essor autour de l’industrie naissante de l’hydroélectricité, et, dans cette perspective, déménage sur l’île du Ramier afin de pouvoir bénéficier de débits d’eau importants, pour l’alimentation de ses modèles hydrauliques, par prélèvement sur la Garonne.

A partir de 1930, un nouvel axe de recherches va s’ouvrir avec les débuts de l’aviation et c’est alors la création de de l’Institut de Mécanique des Fluides par le Ministère de l’Air et l’installation d’une soufflerie aèrodynamique en 1936.

Après la deuxième guerre mondiale l’hydraulique reste l’activité dominante de l’IMFT. En 1966 ses activités se diversifient et il est associé au CNRS. En 1969 il est rattaché à l’Institut National Polytechnique (INP), puis en 1996 à l’Université Paul Sabatier (UPS). Actuellement, l’IMFT est une unité Mixte CNRS/INP/UPS. Ses bâtiments ont une superficie de 10000 m2, 220 personnes y travaillent, dont 50% de permanents.

Les études développées à l’IMFT vont des écoulements monophasiques : 1 seul fluide, aux écoulements polyphasiques : liquides (eau/huile), gaz/liquides (mousses, émulsions, suspensions..) ou bien aux écoulements de fluides à comportement rhéologique complexe ( le dentifrice et la mayonnaise faisant office d’exemples emblématiques). Les fluides mis en jeu dans ces écoulements sont aussi bien les fluides classiques (eau, air) qu’industriels (hydrocarbures…), voir biologiques.

Les recherches concernant ces écoulements, qui relèvent fondamentalement de la Physique, se développent dans un contexte pluridiciplinaire. Elles font largement appel aux sciences : de l’ingénieur, du vivant, de l’environnement, et débouchent sur des champs d’applications extrêmement diversifiés : transport aérien, génie pétrolier, mécanique du vivant, écologie, énergies renouvelables.

Pour illustrer les travaux qui se sont développés dans le domaine de la mécanique des fluides appliquée aux problèmes du vivant, un chercheur de l’IMFT, est venu ensuite nous présenter ses recherches. A la fois originales et surprenantes, ces recherches apportent un regard nouveau sur le rôle des interactions méca-biologiques dans des phénomènes biologiques mal compris ayant un fort impact sur la santé.

Le premier exemple concerne l’étude de l’évolution d’une scoliose lombaire. Réalisée avec des cliniciens du CHU de Toulouse cette étude est centrée sur le rôle du disque vertébral dans le traitement de cette pathologie chez l’enfant.. La reconstruction de l’architecture des disques intervertébraux à partir d’images IRM permet, notamment, de calculer les efforts qui s’exercent sur ces disques et leur hydratation. La modélisation des phénomènes, à plusieurs échelles, permet, quant à elle, d’évaluer comment le milieu cellulaire va évoluer en fonction des pressions mécaniques et de prédire l’évolution de la courbure de la colonne vertébrale. Ces travaux constituent une aide capitale à la décision dans la perspective d’interventions chirurgicales et de mise en place de prothèses.

Un autre exemple surprenant de cette mécanique du vivant, qui a intéressé tout particulièrement de nombreux participants : l’étude de la cicatrisation de la prothèse de hanche. L’observation, par microscopie, de coupes de tissus osseux associée à une modélisation montre que les micro-déplacements entre la prothèse et le site d’implantation vont jouer un rôle sur la fragilité ou la consolidation de celle-ci.

D’autres applications ont été citées comme l’évaluation de la fertilité masculine à partir de l’étude du déplacement des spermatozoïdes dans le fluide porteur. Ou encore l’étude du rôle des anomalies vasculaires dans la maladie d’Alzheimer à partir d’une simulation numérique de l’écoulement sanguin, des échanges moléculaires, et des signaux physiologiques résultants, mesurés par imagerie fonctionnelle cérébrale

Ensuite nous sommes allés visiter le laboratoire et notamment certains dispositifs expérimentaux.

Le laboratoire possède une grande expertise dans le domaine de l’aéronautique tant en ce qui concerne les problèmes de propulsion (optimisation des chambres de combustion des moteurs d’avion) que ceux de l’aérodynamique externe (optimisation de la forme des appareils ou des ailes d’avion), ce qui lui vaut de nombreux contrats.

Un des objectifs de l’optimisation des chambres de combustion est de rendre les écoulements réactifs turbulents diphasiques qui se développent au sein de ces chambres plus stables et plus performants. Pour nous faire comprendre le principe de leur approche, on nous a présenté un petit montage très simple, comprenant trois tubes de longueurs différentes dans lesquels une flamme de chalumeau a été introduite. Suivant le réglage de la flamme, son introduction dans le tube va générer un sifflement, plus ou moins fort caractérisant l’écoulement ; l’instabilité de la combustion peut ainsi être reliée à un phénomène acoustique quantifiable. La chaleur de la flamme peut également être modulée de façon à étudier les interactions complexes entre combustion, acoustique et thermique. Des simulations très sophistiquées vont, à partir de là permettre d’optimiser les performances des systèmes de combustion ou de comprendre les disfonctionnements des moteurs d’avion.

Autre thématique extrêmement fascinante qui nous a été présentée : le morphing. En l’occurrence il s’agit de s’inspirer du vol des oiseaux de grande envergure pour concevoir les ailes et ailerons des avions de demain. L’objectif est de développer des ailes et ailerons flexibles et « intelligents », capables de changer de forme et d’adapter leur profil aérodynamique, compte tenu des interaction et sollicitations, auxquels sont soumis les avions de grande taille se évoluant à grande vitesse. Ces travaux visent notamment à accroitre les performances aérodynamiques (augmenter la portance et diminuer la résistance au vent) et la manoeuvrabilité (diminution des turbulences et du bruit généré par les bords de fuite). Dans cette perspective, les chercheurs mettent en oeuvre des matériaux électroactifs dits « intelligents » pouvant donner lieu à de grandes déformations à basse fréquence (matériaux à mémoire de forme) ou à de petites amplitudes à haute fréquence (piezoactivateurs). Ils mettent également en oeuvre des polymères électroactifs « intelligents » (lamelles souples et flexibles capables de se déformer et de vibrer, comme les plumes d’oiseaux à l’extrémité de leurs ailes) pouvant être pilotées par les commandes de bord. Des maquettes d’ailes d’avions, réalisées avec ces matériaux, sont étudiées en soufflerie à l’aide de procédés optiques. Des modèles numériques permettent, par ailleurs, à partir de ces mesures, de calculer les forces exercées sur la surface de l’aile et ses déformations.

Le cheminement dans le laboratoire nous a permis également de voir d’autres dispositifs expérimentaux très impressionnants comme ces grandes cuves à double vague, situées dans un grand hall, utilisées pour étudier, entre autres, l’action de la houle sur la modification du relief des zones littorales. 

Enfin, autre dispositif très spectaculaire, la soufflerie de type Eiffel construite en 1936 et classée monument historique en 1997. Cet équipement qui a joué un rôle majeur dans les débuts de l’industrie aéronautique (elle a été utilisée dès 1939 pour le compte des avionneurs Latécoère et Dewoitine) continue à servir pour le développement de certaines études fondamentales.

Nous avons également pu admirer en détail une très belle exposition de photos et de documents sur l’histoire de l’IMFT depuis sa création, son évolution, ses réalisations. Cette exposition nous a été commentée par Henri Boisson, passionné par un sujet qu’il connaît parfaitement.

Il faut remercier les organisateurs de cette visite : Eric Climent, Henri Boisson, Myriam Sabater Boutic, Pascal Wilder, Laurent Selle, Marianna Braza, qui ont eu la gentillesse de prévoir une pause très conviviale autour d’un pot et nous ont permis d’échanger avec eux tout en reprenant des forces.

En conclusion, cette visite très pédagogique, nous a permis de découvrir l’IMFT et son histoire qui nous montre comment ce laboratoire a su évoluer au cours du temps, s’adapter à son époque, tant dans ses moyens que dans ses objectifs et ouvrir son champ d’investigations à des applications extrêmement variées, originales et contemporaines.

Deux livres, retraçant l’histoire de l’IMFT ont été publiés par des acteurs de la recherche à l’IMFT : De l’aérodynamique à l’hydraulique. Un siècle d’études sur modèles réduits, par P.Crausse et H.Boisson, Editions Cepadues - L’eau des Pyrénées . Un siècle d’énergie hydraulique, par P. Crausse. Editions Cepadues.

Nicole Paillous et Serge Bories