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Instabilité, turbulence et couplages

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Instabilités, Turbulence et Couplages
Présentation

L’équipe développe une expertise multidisciplinaire centrée autour de la modélisation numérique et de l’étude d’écoulements de fluides neutres ou ionisés (plasma) pour l’optimisation de systèmes industriels ou technologiques dans quatre grands domaines à fort impact sociétal : énergie, aménagement  et urbanisme, transport, et santé.
La physique de ces systèmes est celle des phénomènes hors-équilibres et couplés, avec des instabilités conduisant à la turbulence, et des interactions entre fluide et structure, mélange et transferts, turbulence et transport, … qui nécessitent le développement de méthodes et de codes de simulations originaux. Ces études souvent réalisées dans des régimes de paramètres pertinents pour l’application se font dans le cadre de collaborations fortes  avec nos partenaires socio-économiques (AIRBUS, SAFRAN, IRSN, CEA, ITER, AP-HM…) qui sont dans l’ADN de l’équipe.

L’équipe compte actuellement 13 chercheurs et enseignants chercheurs, et  structure son activité autour de 3 grandes familles d’écoulements.

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Dernières publications de l'équipe

  • 2027
    Ioannis Mavrogiannis, D. Zarzoso, Mitra Fouladirad. Global sensitivity analysis and uncertainty quantification comparison via surrogate models for auxiliary heating of nuclear fusion plasmas. Reliability Engineering and System Safety, 2027, 278 (part 2), pp.113535. ⟨10.1016/j.ress.2026.113535⟩. ⟨hal-05790337⟩ Plus de détails...

    Global sensitivity analysis and uncertainty quantification comparison via surrogate models for auxiliary heating of nuclear fusion plasmas

    Surrogate models are often used to approximate the statistical behavior of complex, non-linear numerical codes, under the influence of input uncertainty. Knowledge of the code’s performance under uncertainty increases the confidence of the code results in realistic situations where parameters do not have a fixed value. Surrogates furthermore facilitate the accurate estimation of global, variance-based sensitivity indices, with a smaller number of samples that would otherwise be required. In this work, we investigate the uncertainty of surrogate model performance, for surrogates trained under different sampling methods and sample sizes. For each surrogate, an uncertainty range is obtained for its accuracy, estimated statistical moments and Sobol’ indices. Computationally fast physical models are employed, making this comparison possible. The physical system chosen concerns the heating of a nuclear fusion plasma, with neutral beam injection (NBI). Such auxiliary heating systems are necessary for reaching the extreme plasma temperatures at which fusion reactions occur. Uncertainties in the thermal plasma equilibrium and ionization cross-sections are propagated through the TAPaS code (Toroidal Accelerated PArticle Simulator), obtaining quantities of interest that describe the beam attenuation in the plasma, the heating power density transferred to the plasma ions and electrons, and the NBI shine-through losses. Such a GSA-UQ analysis setting therefore increases the safety during the plasma pulse. It allows reliable prediction of the shine-through losses, which can damage the machine walls, and can help avoid potential instabilities. It can help maximize the plasma pulse duration, achieving steady-state production of energy.
    Ioannis Mavrogiannis, D. Zarzoso, Mitra Fouladirad. Global sensitivity analysis and uncertainty quantification comparison via surrogate models for auxiliary heating of nuclear fusion plasmas. Reliability Engineering and System Safety, 2027, 278 (part 2), pp.113535. ⟨10.1016/j.ress.2026.113535⟩. ⟨hal-05790337⟩
    Journal: Reliability Engineering and System Safety
    Date de publication: 01-02-2027
    Auteurs:
    Digital object identifier (doi): http://dx.doi.org/10.1016/j.ress.2026.113535
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  • 2026
    Yoshiharu Tamaki, Christophe Friess, Jérôme Jacob, Taro Imamura. Robust implementation strategy for k-omega SST turbulence model with immersed boundary methods. Journal of Computational Physics, 2026, 566, pp.115239. ⟨10.1016/j.jcp.2026.115239⟩. ⟨hal-05782411⟩ Plus de détails...

    Robust implementation strategy for k-omega SST turbulence model with immersed boundary methods

    Yoshiharu Tamaki, Christophe Friess, Jérôme Jacob, Taro Imamura. Robust implementation strategy for k-omega SST turbulence model with immersed boundary methods. Journal of Computational Physics, 2026, 566, pp.115239. ⟨10.1016/j.jcp.2026.115239⟩. ⟨hal-05782411⟩
    Journal: Journal of Computational Physics
    Date de publication: 01-12-2026
    Auteurs:
    Digital object identifier (doi): http://dx.doi.org/10.1016/j.jcp.2026.115239
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  • 2026
    Anna Medvedeva. Synthetic diagnostics and integrated modeling: Bridging the gap between measurement and interpretation in magnetic confinement fusion. Plasma Physics and Controlled Fusion, 2026, ⟨10.1088/1361-6587/aeb280⟩. ⟨hal-05797020⟩ Plus de détails...

    Synthetic diagnostics and integrated modeling: Bridging the gap between measurement and interpretation in magnetic confinement fusion

    In magnetic confinement fusion, we rarely measure physical quantities directly; instead, we measure their indirect signatures -photons, currents, and phase shifts. Bridging the gap between these raw signals and the physical parameters of interest (such as density or temperature) has traditionally relied on the inverse problem, a mathematical reconstruction process often plagued by ambiguity and ill-posedness. This tutorial advocates for a paradigm shift toward forward modeling via Synthetic Diagnostics. By processing simulation data through the same transfer functions as experimental instruments, we can translate theoretical predictions into synthetic signals, enabling a rigorous comparison with experiment. We formalize this approach within the TWINTOK framework, a Digital Twin architecture designed for systematic validation. Through detailed case studies -ranging from the spectroscopic evaluation of divertor detachment to the full-wave modeling of turbulence staircases -we demonstrate how synthetic diagnostics reveal physics that standard inversions often miss, such as the significant contribution of wall reflections to bolometric signals. As the community moves toward ITER and fusion power plants, where diagnostic access will be limited and interpretation challenging, this forward modeling approach provides the essential link to validate our predictive capabilities.

    Anna Medvedeva. Synthetic diagnostics and integrated modeling: Bridging the gap between measurement and interpretation in magnetic confinement fusion. Plasma Physics and Controlled Fusion, 2026, ⟨10.1088/1361-6587/aeb280⟩. ⟨hal-05797020⟩
    Journal: Plasma Physics and Controlled Fusion
    Date de publication: 09-10-2026
    Auteurs:
    Liste des documents:
    Digital object identifier (doi): http://dx.doi.org/10.1088/1361-6587/aeb280
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  • 2026
    Michel Mehrenberger, Tuan Dung Nguyen, Frédéric Schwander, Eric Serre. An iterated quasi-asymptotic-preserving hybrid discontinuous Galerkin method for highly anisotropic diffusion problems. ESAIM: Mathematical Modelling and Numerical Analysis, 2026, 60 (5), pp.2171 - 2203. ⟨10.1051/m2an/2026057⟩. ⟨hal-05234738v2⟩ Plus de détails...

    An iterated quasi-asymptotic-preserving hybrid discontinuous Galerkin method for highly anisotropic diffusion problems

    This paper proposes a quasi-asymptotic-preserving hybrid discontinuous Galerkin (HDG-QAP) scheme for the resolution of highly anisotropic diffusion problems. The HDG-QAP scheme introduces an auxiliary unknown which serves to capture the information on the dominant diffusion scale. We show that it is well posed for any $\varepsilon>0$, with $\varepsilon$ being a small constant and recherche-m2p2-19/equipes-mecanique-et-modelisation-155/instabilites-turbulence-couplages-27//\varepsilon$ characterizing the anisotropy strength, and that its solution is bounded uniformly in $\varepsilon$. At this point, the standard HDG procedure, namely the static condensation on the numerical trace, turns out to violate these uniform bounds. Instead, we show that the static condensation on the auxiliary unknown does lead to similar bounds uniform in $\varepsilon$, but its resolution is costly in terms of computational efforts. Therefore, we propose a relaxation method, called the HDG-QAP Uzawa iteration, to overcome this challenge in which each iteration is fast to compute. We show that the HDG-QAP Uzawa iteration converges for any $\varepsilon>0$, but also for $\varepsilon=0$. Finally, we provide some numerical examples to confirm the findings, and in particular to show that the proposed HDG-QAP Uzawa iteration works well even with a severe anisotropy $\varepsilon=10^{-15}$ where the quality of the numerical solutions is unaffected by the anisotropy strength.
    Michel Mehrenberger, Tuan Dung Nguyen, Frédéric Schwander, Eric Serre. An iterated quasi-asymptotic-preserving hybrid discontinuous Galerkin method for highly anisotropic diffusion problems. ESAIM: Mathematical Modelling and Numerical Analysis, 2026, 60 (5), pp.2171 - 2203. ⟨10.1051/m2an/2026057⟩. ⟨hal-05234738v2⟩
    Journal: ESAIM: Mathematical Modelling and Numerical Analysis
    Date de publication: 09-09-2026
    Auteurs:
    Liste des documents:
    Digital object identifier (doi): http://dx.doi.org/10.1051/m2an/2026057
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  • 2026
    R. Vazquez Casique, J F Boussuge, P. Sagaut. A non-uniform local reference frame method for the simulation of rotating geometries with non-conformal grids on the hybrid recursive regularized lattice Boltzmann method. Physics of Fluids, 2026, 38 (9), pp.097101. ⟨10.1063/5.0312566⟩. ⟨hal-05762635⟩ Plus de détails...

    A non-uniform local reference frame method for the simulation of rotating geometries with non-conformal grids on the hybrid recursive regularized lattice Boltzmann method

    Turbomachinery simulations with rotating components require accurate computational fluid dynamics methods. Lattice Boltzmann methods are attractive for such applications as they have low numerical dissipation, low dispersion, and mesh complex geometries easily using Cartesian grids. The Local Reference Frame (LRF) approach handles rotation by maintaining separate reference frames for static and rotating domains. However, current LRF implementations require uniform grid resolution across the overlap region where the two grids communicate. This prevents local refinement near walls or in wakes, which is problematic for industrial cases. We present a non-uniform LRF method that progressively removes this constraint, allowing mesh refinements of ratio 1:2 to cross the overlap region. The key contribution is the proper rescaling of the non-equilibrium stress tensor when interpolating between different grid levels. This rescaling accounts for both molecular viscosity and subgrid-scale (SGS) contributions in Large Eddy Simulations. We derive the rescaling from acoustic scaling principles and Kolmogorov turbulence theory and use temporal interpolation to synchronize fine and coarse grids. The proposed method is validated on three test cases: Taylor–Couette flow, two-dimensional rotating cylinders (Re=200,0.5≤α≤3.0), and three-dimensional turbulent flow past a rotating cylinder (Re=5000,α=1.0). Aerodynamic coefficients agree with uniform LRF within 4%. It is shown that proper SGS rescaling reduces spurious noise significantly. The method aims to enable the simulation of configurations that were previously problematic: installed propellers, shrouded turbines, or any case where rotating geometries operate near static surfaces and require local grid refinement.
    R. Vazquez Casique, J F Boussuge, P. Sagaut. A non-uniform local reference frame method for the simulation of rotating geometries with non-conformal grids on the hybrid recursive regularized lattice Boltzmann method. Physics of Fluids, 2026, 38 (9), pp.097101. ⟨10.1063/5.0312566⟩. ⟨hal-05762635⟩
    Journal: Physics of Fluids
    Date de publication: 01-09-2026
    Auteurs:
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    Digital object identifier (doi): http://dx.doi.org/10.1063/5.0312566
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Actualités Archives récentes
27 novembre 2026 - Modélisation algébrique des flux turbulents pour des écoulements avec masse volumique variable en approche RANS / Soutenance de thèse Billy Kamtchueng Tchuenbou
Doctorant : Billy KAMTCHUENG TCHUENBOU

Date et lieu : vendredi 27 novembre à 14h00 ; amphi N°3, Centrale Méditerranée ; 38 rue Frédéric Joliot Curie,13013 Marseille

Résumé : Les phénomènes pilotés par la turbulence occupent une place récurrente dans les études de sûreté menées sur les installations nucléaires et de nombreuses situations sont caractérisées par des variations significatives de masse volumique. Il s'agit typiquement des enjeux de sûreté liés au risque d'explosion, aussi bien dans le bâtiment réacteur en situation d'accident grave où l'oxydation des gaines de zirconium peut générer une quantité importante d'hydrogène, que dans les locaux où les tuyauteries et les batteries peuvent également conduire à un relâchement important d'espèces inflammables en cas de fuite. Dans ces deux situations, le niveau de turbulence joue un rôle déterminant sur les niveaux de concentration et donc sur le risque d'inflammation et d'explosion du mélange. Si l'analyse de ces situations est souvent abordée à partir d'outils simplifiés, les simplifications adoptées peuvent s'avérer trop restrictives et on observe un recours croissant aux outils de simulation CFD (Computational Fluid Dynamics).

On distingue schématiquement deux types d'approche pour la simulation CFD d'écoulements turbulents ; l'approche statistique, ou Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS), et la simulation aux grandes échelles, ou LES (Large Eddy Simulation). L'approche RANS, qui consiste à décrire l'écoulement turbulent au travers des principaux moments, est réputée avantageuse du fait d'un coût numérique modéré, mais la prédiction de certains écoulements reste encore difficile, en particulier ceux où la flottabilité joue un rôle important. L'approche LES, qui consiste à résoudre les grandes échelles de l'écoulement et à modéliser les petites structures qui ne peuvent être capturées par le maillage, fournit des prévisions de meilleure qualité mais reste nettement plus coûteuse, voire inaccessible, en particulier pour les longs transitoires tels que ceux associés à la formation d'une atmosphère explosive. Dans ce cadre, l'une des stratégies adoptée consiste à améliorer la prévision des approches RANS avec le développement de modèles dits algébriques. Ces modèles issus d’une modélisation au second ordre ont l’avantage d’être plus riches physiquement que les modèles de diffusivité turbulente tout en conservant a priori une certaine robustesse ou, tout du moins, une certaine facilité d'implémentation.

On propose dans ce travail de thèse une modélisation algébrique des tensions de Reynolds et des flux turbulents (masse, température et espèces) pour des écoulements compressibles caractérisés par un faible nombre de Mach turbulent. Après une discussion sur l'intérêt de la moyenne de Favre pour les approches RANS en écoulement compressible, le terme de corrélation pression-déformation fait l'objet d'une attention particulière sur la base de travaux proposés en moyenne de Reynolds. En effet, il joue un rôle central dans les modèles au second ordre et algébrique pour les tensions de Reynolds. Les fermetures sont proposées dans un contexte homogène, c'est-à-dire loin des parois, en se limitant à une expression tensoriellement linéaire. Le terme de brouillage par la pression joue un rôle analogue à la corrélation pression-déformation pour le flux de masse turbulent. Il fait également l'objet d'une attention particulière selon la même démarche. Les fermetures retenues visent à étendre les modèles proposés dans le cadre d'une approximation de Boussinesq à des situations caractérisées par des variations de masse volumique et de dilatation significatives. Enfin, nous développons une formulation générale pour le flux turbulent associé à n'importe quelle grandeur scalaire et nous montrons qu'elle est compatible avec l'inégalité d'entropie dans le cas où la grandeur considérée est l'énergie interne. Nous abordons également dans ce travail certaines difficultés inhérentes aux modèles algébriques qui constituent encore un obstacle majeur à leur mise en oeuvre et leur utilisation systématique. On s'intéresse en particulier, dans le contexte Boussinesq, à la positivité du tenseur de diffusivité turbulente garantissant un principe du maximum pour la température moyenne ou les espèces. Une stratégie est proposée pour assurer cette propriété et l'ensemble des développements est illustré sur des configurations de canal plan et sur une cavité différentiellement chauffée. Enfin, le modèle algébrique proposé est mis en oeuvre sur des configurations de canal plan différentiellement chauffé en régime de faible nombre de Mach et pour de faibles écarts de température. Ces premières applications permettent de vérifier que notre modélisation algébrique pour les écoulements à masse volumique variable contient naturellement les modèles de turbulence valables en approximation Boussinesq.

Mots clés : turbulence ; approche RANS ; masse volumique variable ; modélisation algébrique.

Jury
Paola CINNELLA                         PR, Sorbonne université  - Rapporteure
Rémi MANCEAU                         DR CNRS, LMAP  - Rapporteur
Luminita DANAILA                     PR, Université de Rouen - Examinatrice
Sofiane BENHAMADOUCHE     Senior scientist, EDF Chatou - Examinateur
François CHEDEVERGNE          DR ONERA, TACT -  Examinateur
Eric SERRE                                  DR CNRS, M2P2  - Président du jury
Christophe FRIESS                    MCF, Aix-Marseille Université - Directeur de thèse
Fabien DUVAL                            IR ASNR, LIE - Co-encadrant de thèse
13 novembre 2026 - Algorithmes quantiques de gaz sur réseau pour les équations aux dérivées partielles de la mécanique des fluides / Soutenance de thèse Niccolo Fonio
Doctorant : Niccolo FONIO

Date et lieu : vendredi 13 novembre à 15h00 à Marseille, sur le campus de Luminy, dans l’amphithéâtre 12 du bâtiment B

Résumé : Les algorithmes quantiques pour les équations aux dérivées partielles (EDP) ont suscité un intérêt considérable en raison de leurs avantages computationnels potentiels. Si plusieurs approches efficaces sont été développées pour les équations linéaires, la simulation des EDP non linéaires demeure un défi majeur. En particulier, on ne sait toujours pas si les dynamiques non linéaires peuvent être représentées sous une forme compatible avec les exigences d’un calcul quantique efficace.
Cette thèse étudie les algorithmes de gaz sur réseau (lattice gas algorithms, LGA) comme une voie possible vers des algorithmes quantiques pour les EDP non linéaires. Les LGA font évoluer des entités dynamiques discrètes au moyen d’opérations locales de collision et de propagation (streaming), et ont historiquement conduit à des modèles numériques performants tels que les automates cellulaires de gaz sur réseau (lattice gas cellular automata, LGCA) et la méthode de Boltzmann sur réseau (lattice Boltzmann method, LBM). Leur structure hautement parallèle et leur lien intrinsèque avec la théorie cinétique en font des candidats naturels pour une implémentation quantique.
Nous étudions tout d’abord une formulation quantique directe des automates cellulaires de gaz sur réseau (LGCA). En exploitant le caractère stochastique de ces modèles, nous construisons un algorithme quantique à évolution temporelle pour l’équation de Burgers et montrons que la dynamique des gaz sur réseau peut naturellement engendrer un comportement macroscopique non linéaire. Nous mettons également en évidence une limitation fondamentale de cette approche : un encodage quantique efficace est incompatible avec les exigences simultanées de la propagation par marche quantique (quantum walk) et de la distinguabilité des états du gaz sur réseau. Ce résultat révèle un obstacle structurel aux implémentations quantiques des LGCA conventionnels.
Nous examinons ensuite la méthode de Boltzmann sur réseau (LBM) et montrons que ses opérateurs de collision non linéaires empêchent une concaténation efficace des pas de temps sur un ordinateur quantique pour les EDP non linéaires. Afin de surmonter cette difficulté, nous introduisons un nouveau modèle, l’algorithme adaptatif de gaz sur réseau (adaptive lattice gas algorithm, ALGA), fondé sur des populations entières de particules sur le réseau. Ce modèle fournit un cadre dans lequel les EDP non linéaires peuvent être simulées au moyen d’une évolution temporelle quantique concaténée. Il permet également de retrouver des distributions d’équilibre de type LBM grâce à des règles de collision adaptatives, mais au prix de la perte de cette propriété de concaténation des pas de temps.
Enfin, nous réexaminons les modèles hybrides classique-quantique de gaz sur réseau et montrons que leur formulation quantique conduit naturellement à une dynamique de Boltzmann sur réseau entropique. Celle-ci assure une stabilité numérique inconditionnelle tout en préservant la possibilité d’ajuster les coefficients hydrodynamiques. En nous appuyant sur ce cadre, nous développons un modèle bidimensionnel reproduisant la dynamique non linéaire anisotrope de Burgers.
Dans l’ensemble, les résultats de cette thèse mettent en évidence à la fois les potentialités et les limites des gaz sur réseau quantiques. Nous identifions les principaux obstacles qui empêchent l’obtention d’un avantage quantique direct, tout en proposant de nouvelles formulations de gaz sur réseau ouvrant des perspectives prometteuses pour la simulation quantique des équations aux dérivées partielles non linéaires.

Jury

    Viv Kendon, PR, university of Strathclyde - rapporteure
    Pablo Arrighi, DR INRIA, LMF - rapporteur
    Matthias Moller, Associate Professor, TU Delft - examinateur
    Katepalli Sreenivasan, PR, New York university - examinateur
    David Meyer, PR, UCSD - examinateur
    Pierre Boivin, DR CNRS, M2P2 - Président du jury
    Pierre Sagaut, PR, AMU - directeur de thèse 
    Giuseppe Di Molfetta, PR, AMU - co-directeur de thèse

20 novembre 2025 - Numerical simulation of fluid-structure interaction using a Lattice Boltzmann Method (LBM): application to fast transient dynamics leading to structural failure / Soutenance de thèse Hippolyte Lerogeron
Doctorant : Hippolyte LEROGERON

Date et lieu : le Jeudi 20 novembre 2025 à 14h00 au laboratoire M2P2,  dans l’amphithéâtre 3, bâtiment Plot 6,  38 Rue Frédéric Joliot Curie, 13013 

Résumé : cette thèse porte sur la simulation numérique de phénomènes transitoires rapides impliquant des interactions fluide-structure, au travers de méthodes de calcul avancées. L'objectif principal est d'améliorer l'efficacité des calculs en environnement parallèle en intégrant une méthode de Boltzmann sur réseau au sein d'un solveur fluide-structure partitionné. Dans ce cadre, une méthode de frontières immergées existante est étendue aux régimes d'écoulements compressibles afin de traiter efficacement des géométries complexes et en mouvement. La dynamique de la structure est résolue par une méthode éléments finis. Une attention particulière est portée au traitement des différentes échelles en temps et en espace liées respectivement aux domaines fluide et solide, en  visant une résolution optimale de chaque sous-système. La précision et la performance de l'approche proposée sont validées au travers d'une série de cas tests de complexité croissante, montrant une concordance forte avec les résultats expérimentaux et numériques existants. Enfin, des simulations à grande échelle impliquant la fragmentation de structures sont réalisées afin de démontrer la robustesse et la capacité de passage à l'échelle pour des applications pratiques de la méthode proposée. Ces résultats offrent de nouvelles perspectives pour la simulation des interactions fluide-structure induites par des explosions, ouvrant la voie à des prédictions plus rapides et plus détaillées. 

Mots clés : Interaction Fluide-Structure, Transitoire Rapide, Méthode de Boltzmann sur Réseau, Méthode de Frontière Immergée, Éléments Finis, Couplage Partitionné, Fracture, Fragmentation

Jury :
Virginie DARU                    ENSAM            Rapporteure                         
Miguel FERNÁNDEZ            INRIA            Rapporteur
Marc MASSOT                Ecole Polytechnique Paris    Président
Vegard AUNE         NTNU, Norvège            Examinateur
Julien FAVIER                    Université d’Aix-Marseille    Directeur de thèse
Pierre BOIVIN                    CNRS            Co-directeur de thèse
Vincent FAUCHER              CEA Cadarache            Co-encadrant de thèse