Sujet :

Turbulence, combustion et instabilité de Rayleigh-Taylor

Contexte :

L’instabilité de Rayleigh-Taylor (IRT) se produit lorsqu’un fluide ‘lourd’ est placé au-dessus d’un fluide ‘léger’ dans un champ de gravité. Dans cette configuration, les petits défauts initialement présents à l’interface entre les deux fluides croissent exponentiellement. Puis, ils forment des structures de plus en plus complexes jusqu’à ce qu’une zone de mélange se crée et devienne turbulente. Lorsqu’en outre les deux fluides réagissent ensemble, une flamme se propage et interagit avec la turbulence générée par l’IRT.

Ce couplage turbulence–combustion–IRT joue un rôle primordial dans de nombreuses applications, et notamment en astrophysique. Par exemple, dans les phases qui précèdent l’explosion des supernovæ de type Ia, il est probable qu’une flamme turbulente instable au sens de Rayleigh-Taylor se propage dans le progéniteur de la supernova et conditionne le déclenchement de la détonation.

Objectif de la thèse :

L’objectif de la thèse est d’étudier le couplage turbulence–combustion–IRT dans le cadre simplifié d’un mélange à faible contraste de densité, avec des termes sources réactifs idéalisés. L’idée n’est pas de reproduire une configuration physique précise mais d’isoler et d’étudier les mécanismes fondamentaux à l’oeuvre dans ce type de couplage.
En particulier, l’accent sera mis sur la phase turbulente auto-similaire de ces écoulements. L’une des questions principales sera d’examiner dans quelle mesure la présence de réactions modifie la croissance de la zone de mélange par rapport au cas non-réactif.

Déroulement de la thèse :

Après une étude bibliographique, l’étudiant(e) sera amené(e) à utiliser deux types d’outils pour mener à bien son étude.

• Simulations numériques : Un code résolvant les équations de Navier-Stokes non-réactives est actuellement disponible pour simuler les écoulements turbulents de Rayleigh-Taylor. L’étudiant(e) prendra en main ce code et lui ajoutera des termes sources idéalisés. Il(elle) procédera alors à des simulations directes et aux grandes échelles de zones de mélange Rayleigh-Taylor réactives. Ces simulations permettront d’observer l’effet des réactions sur les statistiques des champs de vitesse et concentration.

• Modélisation/théorie : Pour analyser le couplage turbulence–combustion–IRT, l’étudiant(e) fera appel à des approches spectrales modélisant les propriétés statistiques de l’écoulement en deux points. Il(elle) sera en particulier amené à étudier l’effet des réactions sur les très grandes échelles de l’écoulement. Celles-ci influencent en effet le taux de croissance des zones de mélange.

Directeur de thèse et école doctorale :

SIMOENS Serge
serge.simoens@ec-lyon.fr
ED 162 – Ecole doctorale Mécanique, Energétique, Génie civil, Acoustique (MEGA)
Ecole Centrale de Lyon

Encadrant :

SOULARD Olivier
CEA/DAM Ile-de-France – Bruyères-le-Châtel, 91297 Arpajon
Tél. : 01.69.26.40.00. – olivier.soulard@cea.fr