Vers la simulation d'évènements rares pour un jet turbulent bistable // Towards rare events simulations of a bistable turbulent jet

Les écoulements turbulents ne sont pas entièrement irréguliers: ils sont souvent organiser en circulations cohérentes de grande échelle.Dans certains cas, plusieurs circulations différentes peuvent se manifester dans un écoulement pour une même valeur des paramètres de contrôle. L'écoulement est alors multistable et peut transiter d'une circulation à une autre. Ce phénomène est important pour l'aérodynamique des transports (comme pour le corps d'Ahmed) et est commun pour les écoulements océaniques et atmosphérique, avec de grandes conséquences possibles pour le climat.

Nous étudions la multistabilité au LMFL dans le cas d'un jet bistable dans le sillage de deux barres parallèles. Dans cet écoulement, si les barres sont suffisamment proches, le jet peut se tourner vers la droite ou vers la gauche. Pour l'instant, nous avons surtout travaillé sur des données échantillonnées lors de campagnes expérimentales. Cela nous a permit d'étudier l'effet de la distance entre les barres sur la multistabilité, de discuter la bifurcation particulière vers la bistabilité et d'entrainer des modèles stochastiques analytiques qui ont éclairé la bifurcation et aidé à rationaliser les probabilités de transition. Cependant, un certain nombre de questions sur cet écoulement restent ouvertes. Cette thèse propose d'étudier la configuration numériquement et en particulier, de suivre les étapes vers la mise en place de simulations d'évènements rares pour échantillonner un grand nombre d'évènements de changement de direction du jet à un coût numérique très raisonnable. Cette étude va améliorer la compréhension des mécanismes physiques de la création de ces états bistables et de la transition d'un état vers l'autre. De plus, elle s'attaquera aux défi méthodologique lié à l'utilisation de méthodes de simulation d'évènements rares pour des écoulements turbulents à grand nombre de Reynolds. Pour se projet, nous profiterons du fait qu'il a été récemment montré que les LES ont représentaient un bon compromis entre la précision et le coût pour la simulation de transitions entre états turbulents bistables. De plus, cette thèse utilisera extensivement les codes et savoir-faire de l'encadrant quant aux simulations d'évènements rares.
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Turbulent flows are not altogether irregular and are often organised in large scale coherent circulations. In some cases, one finds several distinct such circulations for a given value of the dimensionless control parameters of the flow. In that case, the flow is multistable and can transit from one circulation to another. This phenomenon is important for aerodynamics of transportation (like an Ahmed body) and ubiquitous in atmospheric and oceanic flows with a high impact on climate.

We study multistability in in LMFL in the case of the bistable jet in the wake of two parallel bars. In that flow, the jet can point either left or right of the centerline, provided the gap between the bars is narrow enough. So far we have mainly worked on data sampled during experimental campaigns. This gave the occasion to study the effect of the distance between the bars on bistability, display the specific bifurcation toward bistability and train analytic stochastic models that highlighted the bifurcation and rationalised the transition rates. However, many questions as to the physical mechanisms driving this bistable flow remain open. This PhD topic proposes to study the configuration numerically and in particular take the successive steps towards the use of rare events simulation methods to efficiently sample many realisations of change of direction of the jet at a very reasonable cost. Such a numerical study will help understanding key physical mechanisms related to the creation of these bistable states and the transition from one to the other. Moreover, it will address the methodological challenge of performing rare event simulations of three dimensional high Reynolds numbers turbulent flows. This project will build upon the fact that Large Eddy Simulations of these flows have recently shown a good compromise between affordability and reliable rendering of transitions between turbulent bistbale states. Moreover it will take advantage of the supervisor's experience on the topic of rare events and bistability modelling and simulation, as well as his dedicated suite of code.
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Début de la thèse : 01/10/2025
WEB : https://lmfl.cnrs.fr/emploi/towards-rare-events-simulations-of-a-bistable-turbulent-jet/

Financement d'un établissement public Français

Centrale Lille Institut

632 ENGSYS Sciences de l'ingénierie et des systèmes

Master 2 de mécanique des fluides, physique ou mathématiques appliquées Le/la candidate devra avoir une bonne connaissance de la dynamique des fluides et de la simulation numérique. Le/la candidate devra être capable de programmer en C/C++ et en FORTRAN. La connaissance de la physique non linéaire et/ou statistique serait un plus.
Masters of fluid dynamics, physics of applied mathematics The application has a good command of fluid dynamics and numerical simulations. The applicant will have to be able to work on C/C++ and FORTRAN programs. Knowledge of non linear physics and/or statistical physics is a plus.