Modélisation numérique des changements de phase dans les écoulements multiphasiques à l'aide d'un solveur all-Mach // Numerical Modeling of Phase Change in Multiphase Flows using an all-Mach solver

Les phénomènes de changement de phase, tels que l'évaporation, la condensation et la cavitation, sont au cœur de nombreux processus naturels et industriels, notamment en énergétique, en combustion, en microfluidique et en géophysique. Leur modélisation numérique reste difficile en raison de la dynamique complexe des interfaces, des forts contrastes de densité et des couplages thermodynamiques.

Le solveur open source Basilisk constitue une plateforme performante pour la simulation directe d'écoulements multiphasiques, grâce au raffinement de maillage adaptatif (AMR) et à une représentation géométrique des interfaces de type Volume-of-Fluid (VOF). Il permet de résoudre efficacement les équations de Navier–Stokes compressibles ou incompressibles sur des grilles adaptatives, et de capturer des phénomènes multi-échelles.

Des avancées récentes ont permis d'étendre ce cadre aux écoulements compressibles tous régimes (« all-Mach »), assurant un transport cohérent de la masse, de la quantité de mouvement et de l'énergie entre phases. De plus, l'introduction d'un couplage thermodynamique pression–température via un système de type Poisson–Helmholtz a amélioré la stabilité et la précision des simulations thermiques multiphasiques.

Cependant, la modélisation des changements de phase dans les méthodes à interface nette reste un défi majeur. En particulier, la régularisation des termes sources interfaciaux (masse, quantité de mouvement, énergie) est délicate en raison du caractère singulier des interfaces et des discontinuités des champs. Des travaux récents ont mis en évidence des erreurs systématiques dans les formulations classiques, soulignant la nécessité de nouvelles approches.

Cette thèse vise à développer un cadre numérique robuste et précis pour la simulation des changements de phase dans Basilisk. Elle portera sur l'intégration de modèles thermodynamiques de changement de phase et le développement de méthodes de régularisation améliorées. Les approches proposées seront validées sur des cas tests canoniques (évaporation, croissance de bulles, ébullition) et appliquées à des problèmes multi-échelles tels que l'évaporation de gouttelettes, la cavitation et l'ébullition nucléée.
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Phase change phenomena such as evaporation, condensation, and cavitation are central to many natural and industrial processes, including energy systems, combustion, microfluidics, and geophysical flows. Their numerical modeling remains challenging due to complex interfacial dynamics, large density ratios, and strong thermodynamic coupling.

The open-source CFD solver Basilisk provides a powerful framework for the direct numerical simulation of multiphase flows, using adaptive mesh refinement (AMR) and a geometric Volume-of-Fluid (VOF) method for interface tracking. It enables efficient solutions of the incompressible and compressible Navier–Stokes equations on adaptive grids, making it well suited for multiscale interfacial problems.

Recent developments have extended this framework to all-Mach compressible flows, ensuring consistent transport of mass, momentum, and energy across phases. In addition, thermodynamic pressure–temperature coupling through a Poisson–Helmholtz system has improved the stability and accuracy of thermal multiphase simulations.

Despite these advances, modeling phase change within sharp-interface methods remains a major challenge. In particular, the regularization of interfacial source terms (mass, momentum, and energy) is difficult due to the singular nature of interfaces and discontinuities in the fields. Recent studies have highlighted systematic errors in classical formulations, motivating the development of improved approaches.

This PhD project aims to develop a robust and accurate numerical framework for phase change simulations in Basilisk. It will focus on integrating thermodynamic phase-change models and designing improved regularization techniques. The methods will be validated on canonical benchmarks such as evaporation, bubble growth, and boiling, and applied to multiscale problems including droplet evaporation, cavitation, and nucleate boiling.
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Début de la thèse : 01/10/2026

Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)

Concours pour un contrat doctoral

Sorbonne Université SIS (Sciences, Ingénierie, Santé)

391 Sciences Mécaniques, Acoustique, Electronique et Robotique de Paris

Le/la candidat(e) potentiel(le) (M1 ou M2) doit posséder de solides connaissances générales en mécanique des fluides (modélisation, instabilités, etc.) ainsi que de bonnes compétences en programmation. Une expérience avec des logiciels de CFD (idéalement avec Basilisk) serait un atout.
The potential candidate (M1 or M2) must have good general knowledge in fluid mechanics (modelling, instabilities, ...) and good programming skills. Some experience with CFD software (ideally with basilisk) would be a plus