Thèse Modélisation Biphasique des Interactions Entre Couche Turbulente Diluée et Partie Basale des Écoulements Pyroclastiques H/F

Université Clermont Auvergne

Établissement : Université Clermont Auvergne
École doctorale : Sciences Fondamentales
Laboratoire de recherche : Laboratoire de Mathématiques Blaise Pascal
Direction de la thèse : LAURENT CHUPIN ORCID 0000000242210095
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-05-25T23:59:59

Les écoulements pyroclastiques (EPs) produits lors des éruptions volcaniques explosives sont des phénomènes complexes dont les mécanismes physiques restent encore mal compris. La plupart de ces écoulements comportent une partie basale dense, présentant des concentrations volumiques en particules de l'ordre de 30 à 50 %, surmontée d'une couche diluée turbulente. La partie dense se comporte comme un fluide à cause de la pression de gaz interstitiel et peut parcourir, dans certains cas, plus de 100 kilomètres sur des pentes quasi horizontales. Bien que faiblement chargée en particules, la phase diluée alimente continuellement la partie basale par la chute des particules transportées par le gaz turbulent et peut, dans certains cas, représenter jusqu'à 50 % de la masse totale de l'écoulement. La dynamique des EPs est largement déterminée par l'interaction entre ces deux phases. Ces écoulements représentent des aléas naturels majeurs susceptibles de causer des dommages humains et matériels considérables et d'avoir un impact environnemental aux échelles régionale à continentale. Dans ce contexte, comprendre les mécanismes d'alimentation de la partie basale des EPs par la couche diluée et définir un modèle de sédimentation adapté constitue un enjeu majeur.
Si des modèles moyennés ont été développés pour simuler des EPs à deux couches, il n'existe, à notre connaissance, aucun équivalent dans une approche non moyennée. L'utilisation d'un modèle non moyenné est essentielle dans le contexte de ce projet car les EPs, comme les écoulements granulaires sur des pentes douces en général, ont une interface, qui sépare une partie statique (le dépôt basal) et une partie mobile supérieure, qui migre vers le haut au cours du temps et contrôle le taux de dépôt des particules. Cette dynamique interne ne peut pas être étudiée, en principe, en utilisant l'approche moyennée adoptée jusqu'à présent pour simuler les fluides gravitationnels.
Dans les écoulements turbulents dilués, des clusters de particules plus concentrés que la moyenne peuvent chuter à une vitesse supérieure à celle d'une particule isolée. Le processus de dépôt des particules, notamment l'estimation de la vitesse de sédimentation, est de ce fait complexe. L'objectif principal de ce travail sera de prendre en compte dans un modèle biphasique, continu et non moyenné, que nous avons déjà appliqué à la simulation numérique d'effondrement de colonnes granulaires denses, ces mécanismes d'alimentation de la partie dense par la phase diluée.
L'objectif de ce cette thèse sera de mettre en oeuvre un modèle de transport et de sédimentation de particules dans l'air, destiné à représenter les mécanismes d'alimentation (par la partie supérieure diluée) et de sédimentation de la partie basale dense des EPs. Ce travail inclura la formulation du modèle, son implémentation numérique, ainsi que des simulations exploratoires pour tester son comportement et analyser son influence sur la dynamique globale de l'écoulement.
Le coeur de la thèse consistera en la mise en oeuvre d'outils (numériques et théorique) liés à ce nouveau couplage impliquant le transport de particules dans l'air et destiné à représenter les mécanismes de sédimentation et d'alimentation de la partie basale dense des EPs. L'objectif est ainsi multiple: proposer un schéma numérique adapté à la sédimentation, analyser ce schéma,comprendre le modèle d'un point de vue théorique et réaliser des simulations pour tester le comportement du code, et analyser l'influence de la phase diluée sur la dynamique globale de l'écoulement.

Cette thèse est une suite naturelle à plusieurs projets de recherche qui ont été développés dans les dernières années, que ce soit dans le contexte du Laboratoire d'Excellence ClerVolc ou bien de l'institut des Mathématiques
pour la Planète Terre (iMPT). De nombreuses interactions sont donc possibles avec des acteurs extérieurs.
Au niveau du laboratoire, le code de calcul existant est basé sur la librairie BETSy, développée par Alexandre Martin (IR CNRS, LMBP). La ou le doctorant pourra également solliciter ce collègue pour la compréhension et l'utilisation du code, ainsi que le post-traitement des données.

Dans un premier temps, une étude bibliographique complète du sujet devra être menée. L'objectif est d'identifier les mécanismes physiques pertinents ainsi que les modèles existants pour décrire la sédimentation de particules dans un écoulement incompressible d'un fluide. Une collaboration et des discussions avec des spécialistes de ce type d'écoulements comme Olivier Roche (DR IRD, LMV, UCA) sera envisageable et permettra de bénéficier du regard de géologues. En outre, des expériences menées au LMV dans des cadres proches de la thématique de cette thèse pourront fournir des informations fondamentales aussi bien sur la construction du modèle que sur les résultats obtenus.
Un second temps sera consacré aux schémas numériques implémentés dans le code de simulation d'écoulements biphasiques développé au LMBP par Thierry Dubois. Il s'agira de comprendre les choix de modélisation, les méthodes de discrétisation, et les propriétés de stabilité et de précision du code. Cette étape vise à préparer la mise en oeuvre d'un modèle de transport et de sédimentation de particules dans la phase gazeuse (air).
Enfin, le coeur de la thèse consistera en la mise en oeuvre d'outils (numériques et théorique) liés à ce nouveau couplage impliquant le transport de particules dans l'air et destiné à représenter les mécanismes de sédimentation et d'alimentation de la partie basale dense des EPs.