Modélisation des interactions turbulence-diphasique par simulation des grandes échelles

Les écoulements multiphasiques compressibles jouent un rôle clé dans un grand nombre d’applications d’ingénierie pour les secteurs de l’énergie et du transport : centrales hydroélectriques,  propulsion navale, capture et stockage du CO2, technologie hydrogène pour l’aviation durable, systèmes de refroidissement basés sur des écoulements diphasiques, moteurs à détonation, injecteurs de carburant ainsi que des processus chimiques, etc.
La modélisation physique de ces écoulements se heurte à de nombreux obstacles en raison de la difficulté de modéliser les transferts de chaleur et de masse entre les phases, de la grande variation des propriétés thermodynamiques et de l’interaction complexe avec la turbulence, le tout en présence de fortes ondes de pression ou d’ondes de choc.

L’interaction turbulence-diphasique en présence d’un changement de phase et d’ondes de pression constitue un verrou pour la modélisation. La prédiction précise par simulation numérique est un véritable défi, même pour des géométries simples, en raison de la difficulté de modéliser les échanges interfaciaux, les processus thermodynamiques et la turbulence aux petites échelles interagissant avec les structures diphasiques. Ces  interactions complexes conduisent à un large éventail de topologies d’écoulement que les modèles standards de turbulence et de transfert de masse formulés dans le cadre de l’approche RANS 1-fluide ne sont pas en mesure de prédire correctement.

Cette thèse vise à contribuer à la modélisation de problèmes multiphasiques compressibles liés aux systèmes énergétiques en réalisant des simulations de haute fidélité de configurations représentatives. Il s’agira de développer une approche numérique aux grandes échelles en présence d’une transition de phase. Différentes étapes sont proposées:
• Développer une approche aux grandes échelles à une vitesse. Implémenter et valider le modèle sous-maille WALE;
• Proposer une fermeture pour le terme sous-maille apparaissant dans l’équation pour la fraction volumique de gaz (basé sur un nombre de Schmidt turbulent);
• Mettre en place une approche sous-maille implicite (ILES);
• Effectuer des simulations de haute fidélité de configurations représentatives pour l’analyse et la meilleure compréhension des phénomènes physiques, permettant d’améliorer la conception et la durée de vie de ces systèmes énergétiques.

L’institut P’ est un laboratoire de recherche des domaines des Sciences Physiques et des Sciences de l’Ingénierie.

Ses activités couvrent un large spectre de thématiques allant de la physique des matériaux à la mécanique des fluides, au génie mécanique et à l’énergétique. Il s’agit notamment de s’appuyer sur ce panel de compétences pour apporter une réponse adaptée aux nouveaux besoins du secteur socio-économique. Les domaines d’application privilégiés sont les transports et l’énergie, en portant une attention particulière aux aspects environnementaux.

Master 2 ou diplôme d'ingénieur en mécanique des fluides. Des connaissances en méthodes numériques compressibles ainsi qu'en calcul scientifique (programmation, traitement de grands volumes de données, HPC) seront appréciées.