Méthodes d’étude du Système solaire

Ce chapitre passe en revue les différentes techniques observationnelles utilisées en planétologie (sondage à distance et instrumentation spatiale in situ à toutes les longueurs d’onde), ainsi que l’Observatoire virtuel et les bases de données. Il présente ensuite les perspectives d’observation au sol et dans l’espace et conclut sur l’apport des simulations numériques.

Conception et fonctionnement des puits de rupture de pente des aqueducs romains : les exemples de Cordoue (Espagne) et Autun (France)

Les ingénieurs romains ont conçu un dispositif original destiné à ralentir l’eau conduite par les aqueducs appelé « puits de rupture de pente ». À partir d’exemples archéologiquement bien documentés, Autun en France et Cordoue en Espagne, l’objectif est d’abord d’examiner les vestiges encore accessibles aujourd’hui sur le terrain. Chacun des sites possède une cascade de puits de rupture de pente, composée de 19 à 22 puits pour l’un et 34 puits pour l’autre, installée dans des contextes topographiques assez similaires, avec des pentes dépassant 20 %. Cependant les types architecturaux différent. En s’appuyant sur des simulations numériques de l’écoulement de l’eau dans ces puits fondée sur trois caractéristiques (le gabarit des puits, leur espacement et la pente du canal entre les puits), il est possible d’élaborer une restitution visuelle de leur fonctionnement, de les comparer et de préciser les choix techniques des ingénieurs de l’Antiquité. Il s’agit d’une approche expérimentale inédite venant ainsi compléter les recherches passées en matière d’ingénierie hydraulique romaine.

Optimal control of a parabolic solar collector

The aim of this paper is to study an optimal control problem for a parabolic solar collector. We consider a bilinear distributed model, where the control models the velocity of the heat-transfer fluid. We prove the existence of an optimal control, and we derive a necessary optimality condition. Then we give an algorithm for the computation of the optimal control. The obtained results are illustrated by simulations of the collector model, using data of Ain Beni Mathar solar plant in Morocco. L’objet de cet article est d’étudier un problème de contrôle optimal d’un collecteur solaire parabolique. On considère un modèle bilinéaire distribué, où le contrôle modélise la vitesse du fluide caloporteur. On démontre l’existence d’un contrôle optimal, et on établit une condition nécessaire d’optimalité. Ensuite, on donne un algorithme pour l’implémentation numérique du contrôle optimal. Les résultats obtenus sont illustrés à travers des simulations numériques, en utilisant les données de la station solaire Ain Beni Mathar au Maroc.

Collisions moléculaires en phase gazeuse

L’étude théorique des collisions entre atomes et molécules permet, grâce à la résolution d’état à état des simulations numériques basées sur la physique quantique, une description détaillée des mécanismes mis en jeu et contribue grandement à améliorer les modèles atmosphériques et astrophysiques. Dans cet article, après avoir présenté les méthodes de dynamique actuelles, nous donnons des exemples clés d’intérêt pour le milieu interstellaire, l’atmosphère terrestre et les milieux (ultra)froids, et présentons les défis majeurs à relever.

Jusqu'où planter des arbres ?

Le rôle global des arbres dans la régulation des flux, hydriques ou atmosphériques, en particulier dans la séquestration de carbone, est aujourd’hui scientifiquement acquis et ne saurait plus être remis en cause. Il n’en reste pas moins que la traduction contemporaine de ce constat en vastes programmes de plantations forestières mérite d’être questionnée et évaluée, d’autant que leurs effets futurs sur la fixation de carbone restent eux-mêmes à connaître et quantifier.Plusieurs études publiées au cours de l’année 2018 explorent en particulier les limites de la panacée du reboisement dans les zones de parcours, notamment dans les zones sèches.La toute dernière en date, sous la plume de Diana Davis et Paul Robbins, deux grands noms de la political ecology, montre dans quelle mesure le reboisement obéit encore parfois à des préceptes instaurés durant l’époque coloniale et demeurés vivaces. Par exemple, la notion de« taux de boisement national », création de l’école forestière française de Nancy, et dont la valeur est invariablement fixée à 30-33 %, s’avère une projection de statistiques établies en Europe au début du XIXe siècle. La démonstration était simple : une colonie ne pouvait devenir civilisée que si sa couverture forestière acquérait le même taux que sur le continent considéré comme référence civilisationnelle. Les auteurs montrent combien cette norme statistique, d’abord appliquée aux colonies du Maghreb, s’est diffusée en Asie méridionale, mais aussi en Indonésie, au Viêt Nam, à Madagascar ou au Nigeria.L’application de normes statistiques similaires conduit à établir des plantations forestières dans des sites qui ne sont pas nécessairement appropriés au plan écologique. Il apparaît tout particulièrement que, d’un point de vue écologique, certaines zones géographiques, notamment les espaces de pâturage libre, qui représentent près de la moitié des espaces terrestres, ne gagnent pas forcément à être reboisées. Le pastoralisme extensif en zones sèches apparaît aujourd’hui, aux yeux d’un nombre croissant d’auteurs, comme un mode d’exploitation durable, écologiquement approprié. En recourant à des simulations numériques bioclimatiques, Chris Brierley et ses collègues émettent même l’hypothèse que le pastoralisme, intrinsèquement flexible et ajusté aux variations climatiques, pourrait avoir retardé de plusieurs siècles la désertification de la zone, jadis verte, du Sahara.Cette hypothèse est-elle si farfelue ? Dans certains pays, les espaces pastoraux, sait-on aujourd’hui, stockent globalement autant de carbone que les forêts. C’est notamment le cas de la Californie, comme l’évoquent Pawlok Dass et ses collaborateurs. Or, n’oublient pas de mentionner ces mêmes auteurs, ces terres de parcours représentent un puits de carbone plus résilient que les forêts. Elles souffrent en effet moins durablement des incendies ou des épisodes de sécheresse ou de chaleur extrême. Dans les zones sèches en particulier, la végétation des terres de parcours s’accommode beaucoup mieux que les forêts de la variabilité climatique.Sans aller jusqu’à évoquer une tyrannie de l’arbre, ce qui nous semblerait abusif, l’hybride technico-politique que représente le reboisement à l’échelle gouvernementale gagnerait à être davantage envisagé selon ses deux facettes. Il serait regrettable qu’aux échelles locales comme aux échelles globales l’application forcenée de principes trop exclusivement inhérents aux approches forestières, grandes alliées du contrôle de l’État sur les terres qu’il administre, se traduise par des effets négatifs, tant socio-économiques qu’écologiques.S’agissant tout particulièrement des opérations de reboisement dans les terres de parcours en zone sèche, il semblerait que la controverse ne fasse que commencer.

Aléa vibratoire dans les sols : indicateurs pertinents et classification simplifiée

La caractérisation de l’aléa sismique constitue un enjeu majeur dans le domaine du génie civil. En ingénierie des vibrations, il n’existe pas de domaine d’étude similaire bien que cette question soit décisive pour la prédiction de l’impact et de la gêne occasionnée (population, environnement, ouvrages, industrie de pointe). Cette caractérisation passe nécessairement par la connaissance des diverses sources de vibrations : exploitation des infrastructures (ferrées et routières), travaux de construction ou de rénovation (vibrofonçage, battages). Elle dépend fortement du mode de propagation des ondes mécaniques entre la source et le récepteur selon les sols (sites) et leur stratification. La nocivité des vibrations (i.e. capacité à occasionner des dégâts) dépendra donc du type de source, de la propagation, mais également de la réponse dynamique du récepteur exprimée en fonction de ses propriétés modales. Dans cet article, des simulations numériques sont combinées à des enregistrements de vibrations, liées à l’exploitation d’infrastructures ou engendrées par des chantiers. Dans l’hypothèse de sols à comportement viscoélastique et pour une configuration stratigraphique donnée, les niveaux de vibrations envisageables à la surface libre s’estiment en fonction de la distance à la source. Les enregistrements considérés permettent d’identifier des indicateurs pertinents et de proposer une classification simplifiée des sources et des sites. On combine ainsi les caractéristiques spectrales des sources (représentées par leur Transformée de Fourier) et la propagation entre la source et le récepteur au moyen d’une fonction de transfert (rapport spectral entre vibration à une distance donnée et celle au niveau de la source). La correspondance entre les propriétés spectrales des sources et celles d’un site donné est quantifiée par le facteur d’immunité (IMF) indépendamment du récepteur à considérer. Cette quantification représente l’ « aléa vibratoire » qui indique le niveau vibratoire attendu en entrée au niveau du récepteur. Ceci est similaire à la définition de l’aléa sismique utilisée dans l’Eurocode 8 pour les études de dimensionnement et renforcement sismique. En utilisant les paramètres comme le gradient de vitesse et le contenu spectral des enregistrements, les effets induits ont été analysés pour de multiples sources. Des indicateurs pertinents (vitesse moyenne à faible profondeur et gradient de vitesse) sont introduits afin de proposer une classification simplifiée de l’aléa vibratoire pour les différentes sources considérées. En cas d’absence de mesure pour une source et un site donnés, cette classification empirique pourra être utilisée afin d’estimer le niveau vibratoire attendu en entrée d’un récepteur.

Prédire correctement l’effet des chocs thermiques sur l’assemblage corps-couvercle d’un robinet

Préalablement à leur acquisition, les robinets installés dans les centrales nucléaires font l’objet d’une démonstration de leur aptitude à endurer des chocs thermiques d’une amplitude de 255 C, sollicitation majorante de conditions normales d’exploitation. Afin de mieux cerner la validité de démonstrations fondées sur des simulations numériques, nous confrontons l’essai en vraie grandeur d’un robinet à soupape de diamètre nominal 150 mm avec sa simulation numérique. Cet article est focalisé sur le comportement de l’assemblage boulonné du corps et du couvercle, assurant la fonction d’étanchéité, dite externe du robinet. La campagne d’essai, menée sur la boucle CYTHERE d’EDF, comprend plusieurs chocs alternés, froid puis chaud. Le robinet est équipé de 37 thermocouples distribués sur sa hauteur et dans l’épaisseur des pièces. Les douze goujons du couvercle sont équipés de jauges de déformation destinées à mesurer l’évolution de leur tension. L’essai est modélisé par des simulations multiphysiques du robinet complet en 3D, enchaînant les calculs d’écoulement, des champs de température, puis des champs de déplacement et de contraintes dans le robinet. La confrontation des résultats de calcul avec les mesures montre l’importance de la représentation des échanges thermiques résultant de l’écoulement dans les interstices laissés par les jeux fonctionnels entre les pièces internes situées sous le couvercle. Leur prise en compte est déterminante pour calculer les variations de serrage de l’assemblage lors des chocs thermiques.