Thèse Approche Hybride Rans - Les avec Maillages Dédiés pour les Fluctuations et le Champ Moyen H/F - Université Grenoble Alpes

Établissement : Université Grenoble Alpes
École doctorale : I-MEP² - Ingénierie - Matériaux, Mécanique, Environnement, Energétique, Procédés, Production
Laboratoire de recherche : Laboratoire des Ecoulements Géophysiques et Industriels
Direction de la thèse : Thomas BERTHELON ORCID 0000000169591724
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-05-18T23:59:59

La mécanique des fluides numérique est un outil clé pour l'ingénierie, mais les méthodes existantes pour simuler la turbulence présentent des limites : les méthodes RANS manquent de précision tandis que les méthodes LES, bien que plus précises, reste trop gourmandes en ressources pour un usage courant en bureau d'études. Pour surmonter ce défi, la thèse propose une approche innovante : une méthode hybride RANS/LES à maillage dual dans laquelle seules les fluctuations sont résolues en LES. Cette méthode combine les avantages des deux approches en résolvant explicitement les fluctuations turbulentes par LES sur un maillage, tandis que le champ moyen est modélisé par RANS sur un maillage distinct et adapté à cette modélisation. Cette idée constitue un concept élégant qui permet de poser de manière rigoureuse le couplage entre les modèles RANS et LES. Cette vision se distingue des méthodes hybrides RANS/LES classiques, souvent critiquées pour l'amalgame qu'elles opèrent entre U-RANS et LES.
Dans un premier temps, la méthode sera utilisée dans un cadre idéal, dans lequel le champ moyen est extrait d'une simulation LES convergée. Cela permettra d'évaluer les gains maximaux accessibles avec une telle approche. Dans un second temps, la méthode sera mise en oeuvre avec une résolution du champ moyen reposant sur une modélisation RANS. Des études exhaustives des différentes stratégies de couplage seront alors menées afin d'identifier l'approche offrant le meilleur compromis entre précision et coût de calcul. Enfin, afin d'évaluer la pertinence globale de la méthode, celle-ci sera systématiquement comparée à des calculs RANS et LES de référence, ainsi qu'à des méthodes hybrides existantes telles que les approches DES et/ou PANS.La mécanique des fluides numérique (CFD) constitue aujourd'hui un outil indispensable pour l'ingénierie. En simulation des écoulements turbulents, trois niveaux de fidélité sont classiquement distingués : les méthodes RANS, LES et DNS. La DNS consiste à résoudre l'ensemble du spectre turbulent. Elle demeure toutefois inatteignable pour les nombres de Reynolds élevés, caractéristiques de la majorité des installations industrielles. À l'opposé, les méthodes RANS reposent sur une approche statistique de la turbulence. Bien que très largement utilisées en pratique, elles restent limitées en précision. Les méthodes LES proposent un compromis en ne résolvant explicitement que les grandes échelles de la turbulence, tandis que les plus petites sont modélisées. Bien que de plus en plus employées, elles restent encore trop coûteuses pour des études industrielles en bureaux d'études. En particulier, les temps de restitution sont élevés du fait de la nécessité d'accumuler des statistiques, et les besoins en ressources numériques sont importants en raison des maillages fins requis, notamment à fort nombre de Reynolds.

On observe ainsi, depuis de nombreuses années, le développement de méthodes hybrides visant à tirer parti des avantages respectifs des approches RANS et LES tout en cherchant à en atténuer les limites. La première méthode hybride a été proposée par Spalart [1] Connue sous le nom de DES, elle repose sur un basculement d'une modélisation RANS vers une modélisation LES en fonction d'un critère comparant la distance à la paroi et la taille du maillage. Depuis, de nombreuses variantes ont été développées, telles que la DDES [2], l'IDDES [3] ou encore la ZDES [4]. Néanmoins, aucune de ces approches ne fait aujourd'hui l'unanimité. Ces méthodes restent en effet controversées, leur formulation mathématique étant souvent jugée discutable, notamment en raison de la présence d'une « zone grise » à l'interface entre les régions RANS et LES. Ce point rend la généralisation de cette classe de méthodes incertaine [5].
On observe depuis plusieurs années un renouveau de cette thématique, notamment à travers le développement de méthodes hybrides dites U-RANS de seconde génération, parmi lesquelles on peut citer la méthode PANS [6] ou encore les approches de type HTLES [7]. Ces méthodes reposent sur une résolution partielle des échelles turbulentes, mais leur positionnement vis-à-vis de la LES reste débattu, notamment en l'absence de filtre explicite, ce qui soulève des questions quant à leur interprétation physique.
Une autre voie pour combiner les avantages des méthodes RANS et LES consiste à coupler deux calculs distincts, chacun réalisé sur son propre maillage [8]. Ce type de méthode hybride à maillage dual apparaît théoriquement mieux posé, mais a jusqu'à présent suscité un intérêt plus limité au sein de la communauté, en grande partie en raison de la complexité numérique associée à la gestion de deux calculs couplés.
L'objectif de cette thèse est de proposer une nouvelle méthode hybride RANS/LES à maillage dual, fondée sur la résolution explicite des fluctuations à l'aide d'une approche LES, tandis que le champ moyen est modélisé par une approche RANS sur un maillage distinct et spécifiquement adapté à cette description.

Le PI vient d'être titularisé au sein de l'équipe MoST, après y avoir effectué un post-doctorat de trois ans. Les travaux proposés dans cette thèse sont dans la continuité de ceux qu'il a entrepris ces dernières années au sein de l'équipe. Il a notamment travaillé sur des critères de maillage adaptés aux simulations turbulentes [9], les méthodes d'intégration temporelle pour les écoulements turbulents [10] ainsi que des stratégies dites de multi-fidelité qui combinent résultats de simulations RANS et LES [11]. Le travail proposé dans cette thèse est donc dans la continuité des travaux menés au sein de l'équipe et en accord avec les ambitions de celle-ci qui visent à améliorer la simulation des écoulements turbulents dans un contexte industriel.
Ces travaux numériques seront réalisés à l'aide du solver YALES2 [12], un code collaboratif, dans lequel de nombreux partenaires académiques et industriels interagissent. L'équipe MoST est très impliquée dans la communauté du code. Elle dispose notamment d'un ingénieur de recherche dédié aux développements dans ce code, ce qui sera un atout majeur pour la bonne réalisation de cette thèse. C'est aussi l'équipe qui est à l'origine des développements de la modélisation RANS au sein du code.

Développement d'une approche hybride RANS/LES sur maillage dual et LES de fluctuations

Comme évoqué précédemment, l'objectif de cette thèse est de proposer une nouvelle méthode hybride RANS/LES à maillage dual, reposant sur la résolution explicite des seules fluctuations turbulentes à l'aide d'une approche LES. L'idée est ainsi de résoudre le champ moyen à l'aide d'une modélisation RANS, sur un maillage adapté à cette description, tandis que les fluctuations sont résolues sur un second maillage, soumis à des contraintes plus faibles.
L'intérêt de ne résoudre que les fluctuations réside dans la possibilité de relâcher les contraintes de maillage associées au champ moyen pour le calcul LES, ce qui permettrait de réduire significativement le coût de la simulation. Cette idée constitue un concept élégant, qui permet de poser de manière rigoureuse le couplage entre les modèles RANS et LES. Cette vision se distingue des méthodes classiques, souvent critiquées pour l'amalgame qu'elles opèrent entre U-RANS et LES.
Deux aspects semblent essentiels à la bonne réalisation d'une telle méthode. Le premier concerne la capacité à proposer des maillages pertinents à la fois pour le champ stationnaire (modélisation RANS) et pour les fluctuations turbulentes (modélisation LES). L'équipe d'encadrement a récemment publié une série d'articles proposant des critères de maillage adaptés aux différentes modélisations de la turbulence [9,13,14]. La pertinence de ces critères a été démontrée à l'aide du solveur YALES2 sur des configurations industrielles complexes. Leur utilisation, ainsi que leur extension dans le cadre de cette approche hybride, s'inscrivent naturellement dans la continuité de ces travaux et permettront de tirer pleinement parti de la méthode proposée. Le second aspect concerne la capacité à coupler deux calculs effectués sur des maillages distincts. Le couplage des équations du champ moyen et de celles des fluctuations est en effet primordial pour assurer la cohérence de la formulation. Différentes stratégies seront évaluées, faisant intervenir des calculs séquentiels ou parallèles, ainsi que différents types de forçage (stationnaire ou instationnaire). Les développements logiciels nécessaires à ces investigations est déjà disponible dans le solveur YALES2 et ne nécessitera pas de développements lourds, ce qui constitue un atout majeur pour se concentrer rapidement sur les aspects fondamentaux de la méthode.
Dans un premier temps, la méthode sera utilisée dans un cadre idéal, dans lequel le champ moyen est extrait d'une simulation LES convergée. Cela permettra d'évaluer les gains maximaux accessibles avec une telle approche. Dans un second temps, la méthode sera mise en oeuvre avec une résolution du champ moyen reposant sur une modélisation RANS. Des études exhaustives des différentes stratégies de couplage seront alors menées afin d'identifier l'approche offrant le meilleur compromis entre précision et coût de calcul. Enfin, afin d'évaluer la pertinence globale de la méthode, celle-ci sera systématiquement comparée à des calculs RANS et LES de référence, ainsi qu'à des méthodes hybrides existantes telles que les approches DES et/ou PANS.

La/le candidat(e) devra avoir des connaissances en mécanique des fluides et plus précisément en modélisation de la turbulence (RANS/LES). Une expérience en programmation est également nécessaire et un fort bagage en méthode numérique est aussi attendu. La/le candidat(e) devra être capable de travailler dans une équipe, de communiquer ses résultats et d'interagir efficacement avec des collaborateurs. La maîtrise de la langue écrite est nécessaire (français et/ou anglais).