Thèse Simulations Numériques Directes de l'Interaction Choc-Couche Limite en Géométries Complexes H/F

Doctorat_Gouv

Établissement : Université Paris-Saclay GS Sciences de l'ingénierie et des systèmes
École doctorale : Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences
Laboratoire de recherche : LMEE - Laboratoire de mécanique et d'énergétique d'Evry
Direction de la thèse : Jean-Michel CROS ORCID 0000000222856921
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-04-21T23:59:59

Dans les industries spatiale et aéronautique, les congurations dans lesquelles une onde de choc oblique vient impacter une couche limite sont très courantes (tuyère, rampe de compression, corps de fusée...). Sous certaines conditions (grand nombre de Mach, angle de rampe ou d'onde de choc élevé...), cette interaction choc-couche limite est suffisamment forte pour créer une bulle de recirculation. Celle-ci est soumise à des oscillations basse-fréquence dans le sens de l'écoulement qui peuvent entrainer de gros dommages au niveau de la structure. Leur compréhension et leur contrôle sont donc primordiaux. A l'heure actuelle, si la cause exacte de ces oscillations n'est pas encore parfaitement connue, deux phénomènes physiques ont pu être reliés à leur apparition :
1) Les structures tourbillonnaires dans la couche limite incidente, et 2) le lâcher tourbillonnaire dans la zone cisaillée en aval du point de décollement. Dans la littérature, la grande majorité des études se consacrent à la couche limite turbulente pour des raisons industrielles évidentes. Cependant, dans ce cas, il est extrêmement compliqué de décorréler les deux causes possibles. Le but de l'étude menée depuis 10 ans au LMEE est donc de considérer des couches limites laminaires, dans lesquelles les structures tourbillonnaires sont absentes, an de voir si les oscillations de la zone de recirculation sont retrouvées.

Les résultats DNS ainsi obtenus ont fait l'objet de différentes analyses modales en collaboration avec les laboratoires EM2C (Spectral POD) et DynFluid (Bi Spectral Mode Decomposition) dans le cadre de l'interaction choc-couche limite sur une plaque plane. Celles-ci ont montré que des perturbations à basse et moyenne fréquences sont créées au niveau de la couche de cisaillement en amont du point de recollement. Elles sont ensuite convectées vers l'amont, dans la partie subsonique de la couche limite, créant un forçage de la couche cisaillée au niveau du décollement qui pourrait être responsable des oscillations longitudinales de la bulle de décollement.

L'objectif de la thèse est de mener une grande campagne de Simulations Numériques Directes sur des géométries plus complexes (rampe de compression, portion de tuyères...) et d'autres régimes d'écoulements (hypersoniques, turbulent) an de mener une analyse ne des phénomènes dans les différentes congurations, mais surtout de créer une base de données complète pour les analyses SPOD et BSMD. A terme, des techniques de contrôle uidique (jets, jets synthétiques...) seront également appliqués pour réduire les oscillations de la bulle de recirculation.

Le contexte international actuel implique une très forte concurrence dans les domaines de l'espace et de l'aéronautique entre les acteurs historiques (USA, Europe, Chine...) et les nouvelles nations émergentes (Inde, Iran...). La compréhension des phénomènes physiques limitant les performances aérodynamiques des tuyères ou des lanceurs est un objectif crucial pour conserver la souveraineté de l'Europe dans ces domaines.

L'objectif principal de cette thèse est de créer une importante base de données DNS des interactions choc-couche limite pour différentes géométries et différents régimes d'écoulement an de mener une analyse ne des phénomènes physiques mis en jeu, mais surtout de servir de base aux analyses modales (SPOD et BSMD).

L'utilisation de technique de contrôle uidique est également envisagée an de réduire les oscillations de la bulle de recirculation.

Le candidat sera amené à utiliser un code de calcul DNS/LES développé au LIMSI (devenu le LISN en 2021) et adapté par le LMEE au cas de l'interaction choc-couche limite. Le code est écrit en FORTRAN et utilise les librairies MPI pour gérer tourner sur des calculateurs massivement parallèle (plus de 1024 coeurs/calcul). Les simulations sont principalement réalisées sur la machine Jean-Zay de l'IDRIS. De fortes connaissances en programmation et une maitrise de l'environnement Linux sont donc nécessaires.

Les simulations menées mettant en jeu des phénomènes physiques complexes (ondes de choc, décollement, transition vers la turbulence) de solides connaissances en mécanique des uides avancée (écoulements compressibles, turbulence...) sont également souhaitée.

L'analyse des résultats se fera soit directement grâce à Paraview à l'aide des chiers de sortie du code, soit par l'intermédiaire de scripts Python développés en fonction des besoins ponctuels. Des notions sur ces deux outils seraient un plus.