Étude expérimentale et numérique du développement d'une zone de mélange turbulente induite par ondes de choc : influence des conditions initiales et interaction avec le rechoc.

• Auteur / Autrice : Clément Bonomelli
• Direction : Yannick Bury
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Dynamique des fluides
• Date : Inscription en doctorat le 02/02/2026
• Etablissement(s) : Université de Toulouse (EPE ; 2025-...)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ISAE-ONERA EDyF Energétique et Dynamique des Fluides
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : ISAE/DAEP Département Aérodynamique Energétique Propulsion
• Partenaire(s) de recherche : établissement délivrant conjointement le doctorat : Institut supérieur de l'aéronautique et de l'espace (Toulouse ; 2007-....)

Mots clés

Mots clés libres

Instabilité de Richtmyer Meshkov

Turbulent

Onde de choc

Zone de mélange

Tube à choc

Dns

X

X

X

Résumé

Dans le cadre du programme Simulation, la Direction des Applications Militaires du Commissariat à l'Energie Atomique (CEA/DAM) réalise en interne ou fait réaliser par collaborations externes diverses expériences fondamentales de mécanique et de physique nécessaires à la mise au point des modèles phénoménologiques et des simulations numériques. En particulier, les instabilités hydrodynamiques aux interfaces entre plusieurs fluides de type Rayleigh-Taylor, Richtmyer-Meshkov (en présence d'une onde de choc) ou Kelvin-Helmholtz jouent un rôle important dans la physique mise en jeu, par exemple dans l'implosion de cibles de fusion par confinement inertiel. Le tube à choc est un outil particulièrement bien adapté pour mesurer avec précision ces instabilités (notamment lorsqu'une onde de choc se réfracte à la surface de contact entre deux gaz de masse volumique différente) et le mélange, éventuellement turbulent, qui en résulte. L'objectif dans le cadre de ce partenariat CEA/ISAE est l'étude des zones de mélange turbulentes aux interfaces en environnement fortement compressible et en l'absence de confinement. En particulier, la compréhension de l'évolution de ces zones suite au passage d'une onde de choc revêt une importance cruciale pour la modélisation. La thèse proposée ici, qui aborde l'étude par voies expérimentale et numérique. Ce travail s'inscrit en complémentarité des travaux de simulation numérique directe (DNS) effectués au CEA à l'aide du code TRICLADE (cf. Griffond [4] [5]), de travaux expérimentaux en tube à chocs (Bouzgarrou [1], Graumer [2], Rasteiro [3]), et des études relatives à la modélisation de la turbulence pendant la croissance d'une zone de mélange induite par un choc (cf. Grégoire et al. [6], Griffond et al. [4], Griffond et al. [5]). Il s'appuie donc sur l'expérience précédemment acquise lors des conventions de collaboration antérieures entre le CEA/DAM et l'ISAE. A ce titre, ces études antérieures ont clairement mis en évidence la dépendance directe du développement tardif de la zone de mélange turbulente (ZMT) au schéma de perturbation initiale de l'interface gazeuse, alors même que les phases plus précoces de ce développement semblent au contraire insensibles à ces conditions initiales. La présente thèse s'attachera à exploiter et approfondir les analyses quantitatives du développement de la turbulence au cœur de la zone de mélange produite suite à l'interaction de l'interface avec le choc incident puis réfléchi, en accédant à la fois aux champs de vitesse et de densité du mélange produit. Dans une première phase, le doctorant participera à la mise en œuvre de la fluorescence induite par plan laser (PLiF) afin de disposer de mesures complètes couplant champs de vitesse (par PIV) et champs de densité. Ce couplage permettra une caractérisation sans précédent de la turbulence interne à la zone de mélange, tant avant qu'après l'interaction avec le choc réfléchi (« rechoc »), instant critique et contraignant pour la simulation. Un effort particulier sera consacré à la caractérisation précise de l'écoulement en fin d'ouverture des volets, qui constitue l'état initial des simulations par TRICLADE. L'installation ne permettant pas actuellement la mesure directe des quantités visées, cette étude combinera expérimentations dédiées et simulations selon une méthodologie à développer. L'objectif est d'évaluer la validité des hypothèses récemment formulées et d'en déduire une initialisation numérique plus représentative de la réalité expérimentale. Une fois les compléments métrologiques acquis, des campagnes de mesures complètes seront menées en exploitant l'ensemble des diagnostics disponibles : PIV et PLiF à des instants choisis, strioscopie sur toute la plage temporelle. Les paramètres expérimentaux conservés seront le couple de gaz air/hélium, fixant le nombre d'Atwood, et le nombre de Mach du choc incident M = 1,2. Les deux configurations correspondant aux délais d'ouverture des volets de 10 ms et 30 ms, produisant des champs initiaux qualitativement distincts, seront systématiquement étudiées. Les campagnes débuteront avec la chambre d'expérience actuelle de 25 cm, où des résultats de référence ont déjà été acquis, puis se poursuivront avec la chambre allongée à 85 cm. Cet allongement permettra de varier l'âge de la zone de mélange au moment du rechoc et d'assurer une transition complète à la turbulence avant cette interaction. Si les simulations DNS 3D par TRICLADE, correctement initialisées, sont validées par les mesures expérimentales, elles serviront d'intermédiaires pour la validation de simulations RANS 2D mettant en œuvre des modèles de mélange turbulent.

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