Sujet :
Effets non-Boussinesq dans les mélanges turbulents
Contexte :
Les instabilités aux interfaces baroclines, comme celles de Rayleigh-Taylor, sont importantes dans de nombreuses applications astrophysiques, géophysiques ou ingénieures comme la fusion par confinement inertiel (FCI). Pour les fluides miscibles à densité variable, ce processus conduit éventuellement à la formation de zones de mélange turbulentes dont la dynamique est intimement liée à celle des grandes structures turbulentes. Comprendre et modéliser ces processus demeure un problème largement ouvert nécessitant le développement de nouveaux outils théoriques, numériques et expérimentaux.
Ce sujet s’inscrit dans la continuation de deux thèses et de deux post-doctorats, où l’on s’est attaché à étudier principalement les mélanges de fluides à faible contraste de densité, c’est à dire sous l’approximation de Boussinesq. Or lorsque les contrastes de densité deviennent forts, de nouveaux phénomènes complexes apparaissent et doivent être pris en compte. Par exemple, dans les mélanges mus par la gravité, on observe une dissymétrie entre le fluide léger et lourd formant des structures dites de bulles et des aiguilles. Par ailleurs de forts gradients de densité qui apparaissent aux petites échelles peuvent conduire à des fronts non présents dans les écoulements de type Boussinesq (voir Figure 1). Enfin, les effets couplés entre la pression et la densité modifient la distribution de l’énergie aux grandes échelles ce qui change les taux de croissance des zones de mélanges turbulentes.
Figure 1 : Champ de densité montrant des effets non-Boussinesq dans une simulation numérique d’écoulement homogène turbulent stratifié instable
(voir thèse G. Viciconte, EC Lyon 2019).
Objectif de la thèse :
Dans cette thèse on souhaite comprendre, expliquer et valider ces phénomènes au travers de simulations numériques directes, de modèles spectraux en deux points de type EDQNM (eddy-damped quasi normal markovian) ou en coquille (shell model) et de nouvelles expériences dédiées à la turbulence à densité variable. Le sujet étant volontairement vaste, il sera possible d’explorer d’autres pistes que celles proposées.
Déroulement de la thèse :
Dans un premier temps, l’étudiant(e) commencera par assimiler les concepts théoriques nécessaires à l’analyse des écoulements turbulents et effectuer des premières simulations numériques directes sur les supercalculateurs du CEA. Progressivement, il(elle) s’intéressera aux modèles spectraux en deux points et pourra proposer des nouvelles fermetures et les comparer aux résultats numériques. Enfin, il s’agira de confronter les résultats sur de nouvelles expériences et mettre en évidence des possibles améliorations pour les modèles pratiques de mélange turbulent. Ainsi, l’étudiant(e) développera à la fois des compétences théoriques, numériques, et expérimentales.
Directeur de thèse et école doctorale :
GREA Benoît-Joseph
benoit-joseph.grea@cea.fr
ED 579 – Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et géosciences (SMEMAG)
Université Paris-Saclay
Encadrant :
BRIARD Antoine
CEA/DAM Ile-de-France – Bruyères-le-Châtel, 91297 Arpajon
Tél. : 01.69.26.40.00. – antoine.briard@cea.fr