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Sujet de thèse : Simulation numérique directe de la convection thermique turbulente en approximations Boussinesq et non-Boussinesq

[ 02-05-2016 | proposition sujet thèse ]Sujet de thèse : Simulation numérique directe de la convection thermique turbulente en approximations Boussinesq et non-Boussinesq Ce sujet donne lieu au financement par le Ministère de l’Education Nationale, de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche, d’une allocation de recherche d’une durée de trois ans, attribuée sur concours. Contacter le ou les Directeur(s) de thèse et préparer un dossier avant la date limite du 2 mai 2016. Pour plus d’information sur les conditions d’éligibilité et d’attribution, veuillez consulter le site de l’Ecole Doctorale des Sciences pour l'Ingénieur.
Directeur de thèse
Emmanuel Leriche
Co Encadrant
Enrico Calzavarini

Descriptif
La convection thermique turbulente se retrouve au cœur de nombreux problèmes de mécanique des fluides tant industriels que fondamentaux. Dans la nature par exemple, c'est elle qui régit les échanges de chaleur dans les étoiles ou dans le manteaux terrestre, mais aussi dans l'océan ou dans l'atmosphère, et jusqu'à notre échelle humaine où elle assure le refroidissement de notre corps. C'est aussi elle qui contrôle l'homogénéité des stockages de fluides et le refroidissement des centrales électriques thermiques. La convection thermique turbulente se produit lorsque la chaleur est injectée dans un fluide de façon continue. Cette injection de chaleur peut être réalisée, soit par les conditions aux limites thermiques (en imposant une différence de températures par exemple), soit grâce à des sources de chaleur volumétriques, soit en faisant agir les deux. Dans cette thèse, nous voulons aborder le problème de la dynamique de la convection turbulente thermique dans un domaine fermé en présence à la fois de sources internes et externes, en tenant compte de possible effet du rayonnement thermique, ainsi que de la variation de la viscosité du fluide avec la température.
La méthode privilégiée pour la compréhension de la dynamique non-linéaire au sein d'un écoulement turbulent de fluide incompressible est la simulation numérique directe qui implique la solution des équations de Navier-Stokes sans aucune modélisation de la turbulence. La simulation numérique directe fournit donc une description complète de la dynamique turbulente. Elle résout toutes les échelles, des plus grands tourbillons associés à la production d'énergie turbulente, jusque aux plus petites échelles dissipatives. La principale limitation de la simulation numérique directe est associée au fait que la gamme d'échelles turbulentes augmente rapidement avec l’intensité du forçage, de sorte que la simulation numérique directe nécessite de puissants moyens informatiques et de temps de calcul. En conséquence, la plupart des problèmes pratiques d'ingénierie présentent une trop large gamme d'échelles pour être simulé directement et une idéalisation doit être fait au niveau de la géométrie du problème. Ainsi, ce projet se propose d'utiliser une géométrie simple: une cavité rectangulaire présentant des gradients thermiques imposés entre 2 parois opposées maintenues à des températures différentes alors que toutes les autres parois sont isolées. Il sera mis à disposition un code numérique basé sur une méthode spectrale Chebyshev ou d'éléments spectraux Legendre pour la résolution des équations de Navier-Stokes incompressible, le terme de flottabilité étant traité dans une première phase via l'hypothèse de Boussinesq. Une seconde phase prendra en compte les effets non-Boussinesq. Une fois les bases de données numériques produites, le travail se poursuivra par une phase d’analyse des données, suivie d'une phase de modélisation et d'interprétation physique.
Il faut noter que les 2 enseignant-chercheurs impliqués dans cette thèse ont une longue expérience dans cette thématique, comme l'attestent leurs publications respectives dans ce domaine (depuis 2010, E.Leriche 5, E.Calzavarini 3). Cette thèse bénéficiera donc de ces 2 expériences qui croisées, permettront à cette thèse de répondre à des problématiques d'intérêts majeurs pour des communautés scientifiques bien distinctes.

Contact
Emmanuel Leriche, Tél. 03 20 33 71 80, emmanuel.leriche@univ-lille1.fr
Enrico Calzavarini, Tél. 03 28 76 73 73, enrico.calzavarini@univ-lille1.fr