Thèse Modélisation Numérique de la Convection Naturelle Turbulente avec Transition de Mélange H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Sciences de l'ingénierie et des systèmes École doctorale : Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences Laboratoire de recherche : Laboratoire Interdisciplinaire des Sciences du Numérique Direction de la thèse : Anne SERGENT ORCID 0000000177246891 Début de la thèse : 2026-09-01 Date limite de candidature : 2026-05-01T23:59:59 Ce projet de recherche vise à étudier numériquement les propriétés turbulentes de l'écoulement de Rayleigh-Bénard (RB) à très haut nombre de Rayleigh. Ces écoulements sont constitués d'un ensemble de structures cohérentes, les panaches, erratiques et plus ou moins intenses. Or, les plus énergétiques d'entre eux sont associés à des phénomènes pouvant se révéler nocifs voire destructeurs. La convection naturelle est un écoulement spontané, que l'on retrouve aussi bien dans des écoulements naturels (atmosphère, océans, manteaux planétaires), qu'industriels (refroidissement passif par ex.).Plusieurs régimes turbulents sont décrits dans la littérature, et un seuil universel en nombre de Reynolds [1] a récemment été proposé pour la transition de mélange en convection [2]. On se concentrera ici sur les moyens de favoriser l'apparition de ce nouveau régime, par l'addition de rugosité de surface ou d'un cisaillement additionnel, afin d'améliorer la connaissance des propriétés de ce régime. Ce travail sera mené en collaboration avec une équipe d'expérimentateurs de Lyon. La convection naturelle est un écoulement spontané, qui se produit sous l'effet d'hétérogénéités de masse volumique dans un milieu soumis à un champ gravitationnel. Elle se produit dans des écoulements naturels (atmosphère, océans, manteaux planétaires), industriels ou liés aux activités humaines (transformations de matériaux, agroalimentaire, ENR, nucléaire, bâtiments). Ce phénomène peut être recherché (mélange, refroidissement passif) ou bien engendrer des désordres (fatigue thermique, flux de chaleur résiduels, fuite accidentelle, etc.). Dans beaucoup de ces applications, une rugosité de surface est présente. Par exemple, dans la nature, on peut citer les reliefs géographiques, mais aussi les couverts végétaux vis-à-vis des écoulements atmosphériques, les canopées urbaines liées aux ilots de chaleur. De nombreuses applications d'ingénierie considèrent aussi des frontières rugueuses (échangeurs à parois rainurées par ex.).

La présence de rugosité en surface peut modifier considérablement les transferts de chaleur et l'écoulement proche paroi, provoquant suivant les cas, une réduction ou une augmentation de l'énergie transmise et du mélange. La compréhension de ces mécanismes proche paroi est donc un point crucial du point de vue de la maitrise des transferts, mais aussi de l'efficacité des systèmes. Dans ces zones de proche paroi, il existe une intrication forte entre mécanismes physiques dominants (transferts d'énergie inter-échelles), caractéristiques de surface et régime de transport de chaleur dans un écoulement lui-même multi-échelles (couches limites, structures thermiques appelées panaches, turbulence, vent moyen). Ces interactions sont encore mal connues, alors qu'ils sont à l'origine de transitions au sein du régime turbulent menant asymptotiquement au régime dit ultime.

Or, en régime très turbulent, un article récent [1] a montré une certaine universalité des résultats expérimentaux ou numériques, quelles que soient la nature du fluide, la géométrie du domaine, la présence ou non de rugosité, au-delà d'un certain seuil en nombre de Reynolds. Cette nouvelle loi peut être interprétée relativement au flux de chaleur injecté ou encore à la dissipation, et est interprétée comme une transition de mélange [2]. Parallèlement, il a été récemment montré [3] que la convection turbulente est organisée hiérarchiquement de la paroi vers le coeur du domaine d'étude par les panaches qui se regroupent pour former des motifs à grande échelle par un processus continu de formation et d'agrégation.

Tout ceci relance notre intérêt pour la modélisation physique du transport de chaleur et de quantité de mouvement, lié à la dynamique locale de panaches thermiques dans un milieu fortement fluctuant, en particulier au-delà de ce seuil critique, et relativement à la théorie existante dans la littérature [4, 5]. Une modélisation canonique de la convection thermique est l'écoulement de Rayleigh-Bénard : une couche de fluide chauffée par le bas et refroidie par le haut. Dans ce travail, on se concentre sur la modélisation numérique de ces écoulements à très hauts nombres de Rayleigh (Ra > 10^10 ), soit
environ trois décades au-dessus de la transition laminaire-turbulente. Il s'agit d'identifier, décrire et comprendre les mécanismes à l'origine de la transition de mélange pouvant conduire à proposer un ré-ajustement des modèles physiques de proche paroi. Ces travaux concernent la convection naturelle,
mais par extension, tous les cas de convection mixte où les effets de flottabilité sont dominants.

Les simulations numériques sont un outil idéal pour améliorer notre compréhension fondamentale de ces écoulements car elles nous permettent de visualiser et approcher l'écoulement avec une connaissance temps - espace fine afin de capturer les effets physiques dominants dans des conditions contrôlées et reproductibles. Celles-ci sont complémentaires des approches expérimentales, qui ont des mesures plus partielles en espace ou quantité mesurée, mais plus complètes en paramètres ou en temps.

Cependant, il existe plusieurs verrous. i) Ces calculs multi-échelles sont extrêmement coûteux du fait de la diversité des échelles à modéliser. La détermination d'une configuration numérique minimale, illustrant le phénomène à moindre coût, sera un objectif de tout premier plan. ii) L'espace
des paramètres (P r, Ra, géométrie, rugosités, vent) est grand. On se basera sur les travaux précédents des deux équipes (LISN et Lab. Physique de l'ENS Lyon) [10, 11, 1, 12] pour définir les configurations d'intérêt à explorer. Dans ce projet, des simulations numériques directes haute fidélité seront réalisées au moyen du code de calcul du laboratoire (SUNFLUIDH) massivement parallèle. Celui-ci tourne couramment sur
les supercalculateurs nationaux (https://www.genci.fr/).

Cependant, si on souhaite multiplier les configurations étudiées, l'emploi d'une configuration minimale, en plus de configurations en cavité, est recommandé. Celle-ci demande non seulement de réduire le domaine de calcul en identifiant le volume représentatif des écoulements, mais aussi de proposer un modèle de vent moyen représentatif de l'écoulement en cavité fermée. Plusieurs pistes ont déjà été proposées dans la littérature [6, 7, 8, 9] pour des cavités à parois lisses (sans rugosité).

Une fois ce modèle minimal caractérisé, nous pourrons analyser la physique des interactions. Plusieurs niveaux d'analyses physiques pourront être appliqués, allant des quantités globales de l'écoulement jusqu'au comportement spatio-temporel des structures [3], en passant par les transferts inter-échelles. Ces analyses physiques pourront aussi être appliquées aux résultats expérimentaux obtenus au Laboratoire de Physique de l'ENS Lyon, avec lequel nous travaillons depuis plusieurs années.

Expertise en mécanique des fluides, physique ou mécanique numérique
Compétences additionnelles : programmation avancée, Python ; Anglais scientifique avancé.