Thèse Stochasticité Spontanée et Décollements de Couche Limite dans les Écoulements Turbulents de Paroi H/F - Université Côte d'Azur

Établissement : Université Côte d'Azur
École doctorale : SFA - Sciences Fondamentales et Appliquées
Laboratoire de recherche : INPHYNI - Institut de Physique de Nice
Direction de la thèse : Jérémie BEC ORCID 0000000236185743
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-04-24T23:59:59Les décollements de couche limite sont parmi les phénomènes les plus difficiles à prédire en mécanique des fluides. Dans les écoulements pariétaux à grand nombre de Reynolds, ils entraînent une transition brutale de la dynamique de la couche limite et la formation de structures tourbillonnaires intenses capables de modifier l'écoulement à grande échelle. Ces événements jouent un rôle majeur dans de nombreux contextes naturels et industriels (écoulements atmosphériques, aérodynamique, hydrodynamique environnementale) mais leur localisation et leur dynamique restent extrêmement sensibles aux conditions initiales et aux perturbations de faible amplitude.
L'imprévisibilité de la turbulence est souvent attribuée au chaos des équations de la dynamique des fluides, illustré par l'« effet papillon » introduit par E.N. Lorenz. Cependant, Lorenz avait suggéré une possibilité plus profonde : certains écoulements multi-échelles, pourraient devenir intrinsèquement probabiliste, même en l'absence de perturbations externes. Dans ce cas, l'imprévisibilité ne serait plus seulement liée au chaos, mais à une perte effective de déterminisme de la dynamique.
Cette idée est aujourd'hui formalisée dans le cadre de la stochasticité spontanée, où plusieurs évolutions macroscopiques peuvent émerger à partir de conditions initiales pratiquement identiques. Les décollements de couche limite, caractérisés par des gradients de vitesse extrêmes et des structures tourbillonnaires intenses, constituent des candidats naturels pour l'apparition d'un tel phénomène]. La thèse vise à explorer expérimentalement si ces événements peuvent conduire à une perte intrinsèque de déterminisme dans des écoulements hydrodynamiques contrôlés.

Dans les écoulements de paroi à grand nombre de Reynolds, les effets inertiels dominent la dynamique du fluide tandis que les effets visqueux se concentrent dans de fines régions proches des parois appelées couches limites. La théorie de Prandtl (début du XX siècle) fournit une description asymptotique de ces régions et résout le paradoxe de d'Alembert, selon lequel un fluide parfait ne produirait aucune force de traînée sur un obstacle.
Cette description classique atteint ses limites lorsqu'un gradient de pression adverse s'applique à la couche limite. Dans ce cas, les équations de Prandtl peuvent développer des singularités en temps fini, associées à un décollement de la couche limite. Ces événements génèrent des gradients de vitesse extrêmement intenses et déclenchent une transition vers des dynamiques tourbillonnaires complexes.
Des travaux récents suggèrent que ces singularités pourraient jouer un rôle central dans la perte de prédictibilité des écoulements proche-paroi turbulents. En particulier, la perte de régularité du champ de vitesse pourrait conduire à une stochasticité spontanée, interprétable comme une non-unicité effective des solutions des équations de la dynamique des fluides dans la limite des nombres de Reynolds infinis. Les écoulements pariétaux constituent un cadre privilégié pour explorer cette hypothèse et tester si les décollements de couche limite peuvent induire une perte de déterminisme observable expérimentalement.

Le projet de thèse a pour objectif d'explorer le rôle des décollements de couche limite dans l'émergence possible de stochasticité spontanée.
1. Caractériser expérimentalement les mécanismes de décollement de couche limite - Etudier l'interaction d'un dipôle tourbillonnaire avec une paroi dans un écoulement stratifié quasi bidimensionnel, à l'aide du dispositif expérimental développé à l'Institut de Physique de Nice. Cette configuration permet de générer des décollements contrôlés et d'analyser la formation de structures tourbillonnaires et de gradients de vitesse intenses.
2. Tester l'émergence de stochasticité spontanée - Déterminer si des écoulements préparés dans des conditions initiales pratiquement identiques peuvent évoluer vers des états macroscopiques différents. La divergence entre solutions sera quantifiée en analysant la sensibilité des décollements à des perturbations infinitésimales et comparée aux prédictions théoriques récentes sur la stochasticité spontanée.
3. Évaluer la robustesse et la généralité des mécanismes observés - Comparer les observations expérimentales à des simulations numériques et à différents modèles d'écoulement pour identifier les mécanismes universels à l'origine de la stochasticité. Selon l'avancement du projet, les expériences pourront être étendues à des configurations tridimensionnelles ou à des écoulements turbulents en canal.

La thèse combinera expériences contrôlées, simulations numériques et analyses théoriques.
Les expériences s'appuieront sur un dispositif hydrodynamique à l'Institut de Physique de Nice, capable de générer des dipôles tourbillonnaires quasi bidimensionnels dans un écoulement stratifié. Les décollements induits seront observés et quantifiés, notamment par des mesures de champ de vitesse et de vorticité. Les observations expérimentales seront comparées à des simulations numériques des équations de Navier-Stokes ou d'Euler obtenues par différentes méthodes numériques. Cela permettra d'étudier le rôle des perturbations, des effets visqueux et des conditions de bord dans l'apparition de divergences macroscopiques. Enfin, les résultats seront interprétés à la lumière des travaux récents sur les singularités des équations de couche limite et sur la stochasticité spontanée dans les écoulements multi-échelles.

- Master en physique, mécanique des fluides ou ingénierie.
- Formation appréciée en turbulence, physique statistique ou mécanique des fluides.
- Compétences en programmation scientifique (Python, MATLAB) ou simulations numériques.
- Curiosité scientifique, autonomie et intérêt pour les approches interdisciplinaires combinant expériences, simulations et théorie.