Turbulence

Ce sujet porte sur l'étude numérique d'un écoulement turbulent bistable généré dans le sillage de deux barres parallèles. Lorsque l'écart entre les barres est suffisamment réduit, le jet résultant peut osciller spontanément entre deux états stables, orientés à gauche ou à droite de l'axe central. Ce phénomène de multistabilité, courant dans les écoulements atmosphériques ou océaniques, est associé à des transitions rares dont la compréhension est essentielle, notamment dans le contexte climatique. L'objectif est d'identifier les mécanismes physiques responsables de la bistabilité et des changements de régime, à travers des simulations tridimensionnelles en grandes échelles (LES) et l'utilisation de méthodes de simulation d'événements rares. Le projet comprend la mise en place et la validation de simulations avec le code XCOMPACT3D, une étude paramétrique, l'analyse des forçages aux frontières, le développement de nouveaux observables et l'exploitation de méthodes statistiques pour échantillonner efficacement les transitions.

Ce projet se concentre sur les transferts et les cascades d'énergie dans la turbulence, en particulier les aspects intermittents dans l'espace et dans le temps, les aspects de non-homogénéité et de non-stationnarité, et les propriétés de dissipation qui en résultent dans divers écoulements turbulents.

La manière dont les transferts d’énergie et scalaires dans l’espace d’échelle interagissent avec ces transferts dans l' espace physique est également un axe important du projet. Il s’agit de la physique fondamentale de la turbulence qui a un impact pivot sur l’évolution des écoulements turbulents, y compris sur les caractéristiques les plus saillantes de ces écoulements tels que l’entraînement et la croissance turbulente des sillages/jets/couches limites et sur les approches de prédiction de la turbulence.

Ce projet combine théorie, simulations numériques et expériences en laboratoire et se compose de divers sous-projets, tels que les suivants.

• Transferts d’énergie inter-échelles et spatiales à l’interface turbulente / non turbulente (TNTI) des sillages et jets turbulents
• Entrainement et vitesse de l’interface (TNTI) par rapport au fluide dans divers types de couches limites turbulentes et divers types de sillages turbulents.
• Transferts d’énergie inter-échelles et spatiales dans les écoulements turbulents des canaux.
• L’impact sur les fluctuations turbulentes et le frottement des « attached eddies » dans les couches limites turbulentes et les écoulements de canal turbulents.
• Hélicité et transferts d’énergie et de concentration scalaires inter-échelles et spatiales dans des mélangeurs à conteneurs fermés agités par des pales régulières ou fractales, avec ou sans déflecteurs.
• Hélicité et structures cohérentes et leur relation avec la dissipation de la turbulence hors équilibre dans les sillages turbulents.

Dans de nombreux processus industriels, un mélange efficace avec un niveau élevé de turbulence est nécessaire dans un volume confiné et à petite échelle. Étant donné que la dissipation augmente avec l'augmentation de la turbulence et la diminution de la taille, cela fait de la dissipation, et donc de la puissance absorbée et de l'efficacité énergétique du mélange, une préoccupation centrale. Ce projet vise à introduire une technologie révolutionnaire pour modifier stratégiquement des échelles turbulentes ciblées, par exemple dissipatives ou inertielles. En ajustant les transferts d'énergie à travers les échelles (cascade) et l'espace (diffusion turbulente échelle par échelle), cette approche cherche à améliorer l'efficacité du mélange des fluides en influençant simultanément l'intensité de la turbulence et les niveaux de dissipation. Le programme de recherche se concentrera sur l'environnement contrôlé et reproductible de la turbulence de grille sous sa forme quasi isotrope afin de déterminer dans quelle mesure les mécanismes de transfert d'énergie à travers les échelles et l'espace peuvent être influencés artificiellement. La compréhension et le contrôle de ces interactions pourraient ouvrir de nouvelles possibilités pour optimiser l'efficacité du mélange dans diverses applications industrielles où la turbulence joue un rôle essentiel dans les performances et la consommation d'énergie.

 

L'objectif est d'améliorer la connaissance et la prédiction des caractéristiques aérodynamiques d'un objet en présence de pluie. Des études expérimentales seront réalisées dans la nouvelle soufflerie Rainaero (PLEX) par inclusion de gouttelettes d'eau dans l'écoulement, susceptibles de modifier des caractéristiques comme celle de la couche limite. Des études théoriques et numériques sont en cours.

Interaction entre la turbulence chargée de particules et les corps d'Ahmed. Effets des précipitations sur la traînée et la bistabilité des véhicules routiers (Collaboration PPrime - LEGI - LMFL)

Les performances d'un grand nombre d'applications industrielles dépendent de leurs propriétés aérodynamiques. C'est le cas pour les transports en général, mais aussi pour les systèmes de production d'énergie renouvelable. Les aléas climatiques sont des facteurs perturbateurs qui peuvent modifier considérablement l' aérodynamique de ces systèmes. Ces phénomènes sont exacerbés par le changement climatique. Cependant, ces aléas sont généralement négligés dans les phases de conception et/ou d'exploitation en raison du manque de modèles fiables et abordables. Dans le cadre de ce projet, LMFL contribue en étudiant les propriétés du sillage et les coefficients aérodynamiques des corps d'Ahmed (qui imitent plusieurs aspects des camions) dans une soufflerie sous différentes conditions de pluie. 

(Collaboration IMFT - CEA-STMF -LMFL)

Les écoulements bulleux sont présents dans de nombreux phénomènes naturels et processus industriels.  Ce projet se concentre sur la structure de la turbulence induite par un essaim de bulles ascendantes. Plus précisément, il concerne les régimes dits entièrement hétérogènes, qui sont observés dans les écoulements à colonnes à bulles de grandes dimensions et à grande fraction de vide. Ce régime est pertinent pour plusieurs situations industrielles, car c'est là que se produisent le transfert interfacial et le mélange optimaux. Le LMFL construit actuellement une grande colonne à bulles (60 cm de diamètre et jusqu'à 5 m de haut), où des expériences seront menées à la fois dans des régimes homogènes et hétérogènes. Ces expériences viendront compléter d'autres expériences et simulations numériques menées à l'IMFT et au CEA-STMF.

Les écoulements turbulents chargés de particules sont omniprésents dans la nature et l' industrie. Alors que les modèles actuels pour les deux phases décrivent leurs propriétés moyennes dans le temps, de nombreux phénomènes pertinents sont liés à l'instabilité des écoulements . On peut citer, entre autres, les événements extrêmes, l'agrégation de particules et le mélange. Ce projet exploitera les récents progrès en matière d'expérimentation et de modélisation afin de permettre la caractérisation simultanée d'un champ turbulent chargé de particules dans l'espace et dans le temps. Ce projet propose une série d'expériences dans différentes installations, visant à modéliser les propriétés des écoulements turbulents, y compris dans les cas où ils transportent des particules, pour différents scénarios.

Le volet expérimental de cette activité consiste en une collaboration avec le département d'ingénierie de l'université de Washington concernant l'étude du comportement des particules inertes (gouttelettes d'eau) générées dans une série de souffleries situées dans les deux institutions. Nous étudions en particulier le comportement des particules lorsqu'elles traversent une interface entre une région turbulente et une région non turbulente du flux, ou entre deux états turbulents différents. En effet, dans plusieurs situations industrielles et naturelles, telles que les nuages et les jets, ces interfaces jouent un rôle important dans la dynamique du flux turbulent. Des travaux numériques et théoriques sont également en cours sur les particules en présence d'interfaces turbulence/non-turbulence.

L'utilisation de drones en milieu urbain semble de plus en plus envisageable dû aux améliorations récentes des technologies dans le domaine des UAV (Unmanned Aerials Vehicles). Ces drones pourraient notamment contribuer dans le domaine de la cartographies 3D ou encore dans le domaine du transports de colis. Cependant, dû à leur faible inertie, l'utilisation de drones en milieu urbain représente un vrai challenge. En effet, la couche limite atmosphérique présente une intensité turbulente très élevée du fait des frottements avec la surface et des divers forçages thermiques et hydriques. Au plus proche du sol (là ou se trouve bâtiments, arbres, etc), la sous couche de la couche limite atmosphérique est dite ''sous-couche de rugosité''. Au sein de cette sous-couche, l'écoulement dit « de canopée », révèle des variations temporelles et spatiales très importantes et très sensibles à la configuration spécifique observée. Or, c'est dans cette sous-couche qu'un drone est destiné à évoluer pour une utilisation en milieu urbain. Afin de permettre le vol de drone dans un milieu urbain, il convient de caractériser les conditions extérieures de vol (vent , turbulence). Une simulation LES permettrait de caractériser la couche limite atmosphérique et ainsi identifier les zones pouvant être critique pour le vol de drone. Il s'agit d'identifier et caractériser les événements turbulents extrêmes qui peuvent être rencontrés en milieux urbains et de développer une modélisation de ces événements dangereux par "Reduced-Order Methods" pour permettre une prédiction et identifier les caractéristiques d'écoulements pour lesquelles l'impact sur les drones est peu connu et/ou critique. Ces données pourront être utilisées afin de planifier l'emplacement de Vertiport dans une zone urbain ainsi que d'identifier les trajectoires de vol d'un drone.

L'objectif est d'améliorer la prévision des régimes de vent et des cartes de pollution afin d'améliorer la durabilité et les conditions sanitaires dans les villes, en accordant une attention particulière à la qualité de l'air. Les principaux défis de ce travail sont (i) de reconstruire des conditions limites/initiales fiables pour les simulations CFD afin de capturer les caractéristiques réalistes des écoulements, (ii) de combiner la CFD et la modélisation d'ordre réduit dans un cadre mathématique multifidélité afin d'obtenir des prévisions précises et rapides pour la prise de décision et (iii) d'optimiser les trajectoires des capteurs mobiles (drones, véhicules autonomes, etc.) afin d'exploiter les informations échantillonnées.
 

Les jets de basse altitude sont des structures atmosphériques apparaissant principalement pendant la nuit dans une couche limite atmosphérique stable. Le jet est mieux décrit comme une vitesse de vent prononcée inférieure à un km au-dessus de la surface, un changement brusque du profil logarithmique classique attendu de la couche limite, se développant au coucher du soleil dans des conditions sans nuages. De nos jours, plusieurs approches réalistes ont été faites pour simuler jets à basse altitude sur des zones spécifiques, soutenus par des méthodes de mesure améliorées sur site. Cette étincelle d'intérêt vient du parc éolien offshore. Des jets à basse altitude se sont développés au-dessus de l'interface terre-mer, offrant ainsi une ressource potentielle pour l'énergie éolienne. La thèse étudiera la physique des jets à basse altitude à travers des simulations numériques directes sur des cas idéaux tout en introduisant également des effets de topographie pour voir l'impact des ondes internes sur la structure des jets à basse altitude. L'utilisation d'un cadre LES au sein de l'ERF est attendue pour atteindre des conditions atmosphériques réalistes. Un modèle d'énergie turbulente totale serait également étudié. Si DNS et LES offrent un accord satisfaisant, les travaux porteront sur des simulations plus complexes avec un code atmosphérique de pointe (WRF) utilisant des comparaisons avec des bases de données météorologiques pour vérifier l'exactitude du modèle numérique.

Etude des processus de mélange et des transferts d'énergie (collaboration LMFL- Institut de géophysique de l' Université de Varsovie)

Les prévisions météorologiques sont très difficiles à établir en raison de leur dépendance à l'égard des schémas de paramétrisation de phénomènes tels que la turbulence. Les échelles de turbulence couvrent une gamme de près de dix ordres de grandeur, rendant la modélisation de la turbulence inévitable. Bien que les modèles numériques soient de plus en plus sophistiqués, les idées théoriques clés se réfèrent à la théorie initiale de Kolmogorov, qui est limitée par des hypothèses d'homogénéité statistique et de stationnarité. Cependant, un tel état idéalisé est rarement atteint dans l'atmosphère. Nos études menées au cours des 15 dernières années ont montré que des équilibres bien définis, différents de ceux de Kolmogorov, apparaissent lorsque ces hypothèses restrictives ne sont pas valables, en particulier dans la gamme intermédiaire des échelles dans l'atmosphère. Ces états de turbulence peuvent être associés à des structures cohérentes caractéristiques de la convection atmosphérique.  Leur compréhension reste une étape importante vers une nouvelle génération de modèles météorologiques et climatiques. L'un des principaux objectifs de ce projet est de comprendre le rôle des structures cohérentes dans les transferts d'énergie non kolmogoroviens, en mettant fortement l'accent sur l' identification des mécanismes physiques responsables des propriétés de non-équilibre de la cascade d'énergie turbulente. Le contexte et l'application possible sont l'étude du taux d'entraînement dans les thermiques secs et les processus d'engloutissement à la frontière des nuages.

Collaboration avec le CNES et RTech (partenaire industriel)

L'objectif est d'obtenir des outils prédictifs précis qui peuvent être combinés entre eux pour obtenir des descriptions des débris sur une trajectoire complète. Au cours de cette trajectoire, l'écoulement subit de très grandes variations des nombres de Mach (de 30 à 0.1) et de Reynolds, pour lesquelles des lois et des modèles constitutifs complètement différents doivent être utilisés. Le comportement physique au niveau de la paroi doit également tenir compte des échanges thermiques et des réactions chimiques, ce qui complique considérablement les modèles en jeu. Compte tenu de la pollution spatiale croissante et du nombre d'épisodes de rentrée atmosphérique dangereuse, la création de tels modèles hybrides est plus urgente que jamais. Des stratégies associant la CFD, des expériences, la modélisation d'ordre réduit, l'assimilation de données et l'apprentissage automatique sont utilisées pour atteindre cet objectif.