Benjamin Luce
Axes de recherche
Couche limite atmosphérique
Ma thématique actuelle porte sur la simulation et la compréhension de la couche limite atmosphérique dans des conditions dites stables. J'ai choisi de me consacrer à l'étude d'une structure particulière, appelée jet de basse couche. Cette structure de vent à basse altitude (le pic de vitesse est généralement atteint dans les 500 premiers mètres) apparaît principalement en fin de journée et dure la nuit avec un pic dans les premières heures du matin. Le levé de soleil change les conditions de stabilités et détruit le jet pour laisser place à une atmopshère convective.
L'intérêt de ces jets est multiple et les questions nombreuses :
- Leur formation n'est pas pleinement comprise et des observations à travers le monde montrent que ces jets existent dans des configurations très différentes (dans les plaines inclinées ou non, à l'interface terre-mer, etc).
- Sur l'interface terre-mer, ils offrent un potentiel de ressources en vent pour les parcs éoliens marins mais peu de réponses existent sur les effets d'un cisaillement aussi important sur les pales.
- La structure de la turbulence dans une couche limite aussi stratifiée met à mal les modèles existants de simulations. C'est un défi passionnant que d'essayer de comprendre ce que des simulations fines (DNS ou LES à petites échelles) peuvent fournir.
- La présence de relief, même faible, génère des ondes de gravité suceptibles d'intéreagir avec la turbulence. Ces interactions onde-turbulence sont une thématique complexe et riche en interrogation encore sans réponse.
Les outils numériques : WRF et microHH
Selon nos besoins, deux codes libres et ouverts sont utilisés :
- WRF (Weather Research and Forecasting) est un modèle de prévision numérique du temps. Il permet de réaliser des simulations grandes échelles réalistes jusqu'à de très fines résolutions par une méthode d'emboîtements. Le code ARPS, précurseur de WRF, a également été utilisé pour de l'emboîtement multi-échelles (et multi-codes).
- microHH est un modèle de mécanique des fluides qui permet de faire des simulations grandes échelles ou directes de la couche limite atmopshérique.
Simulations d'aérosols marins en transition côtière
Ces trois simulations successives sur le Croisic montrent en haut une situation paramétrique (la turbulence est purement modélisée, pas résolue) puis le raffinement de maillage et l'usage de la LES permet de faire ressortir les structures turbulentes qui changent considérablement l'observation de la concentration d'aérosols.
Les simulations LES emboîtées WRF - ARPS permettent de traiter des terrains complexes et une micro-météorologie absente des codes méso-échelles. Ces simulations, délicates, rendent compte de la complexité de capturer l'ensemble des échelles dans l'atmosphère : les grandes échelles donnent la tendance globale et les micro-échelles qui s'en développent sous l'effet des contraintes locales changent considérablement les phénomènes.
Simulation de jets de basse couche
L'emboîtement WRF - ARPS permet également de réaliser des simulations réalistes de jets de basse couche. Les jets viennent généralement de la terre avec une forte extansion en mer. La présence d'une butte suffit à générer une onde de gravité sur plusieurs dizaines de kilomètres. On notera, par le tracé du gradient de température, la stratification de la couche limite atmosphérique pendant cette période (nuit).
Plasma de fusion nucléaire
Cette thématique concernait mon sujet de thèse. J'ai étudié la turbulence dans les plasma de bord de tokamak sous l'effet de perturbations magnétiques tri-dimensionnelles. J'ai effectué des simulations numériques directes en ajoutant dans les équations la partie pertubation magnétique. Cela m'a permis d'étudier ensuite la turbulence et sa modification suite à l'usage de ces perturbations, dont l'usage s'avère nécessaire pour le contrôle du plasma dans la configuration d'un tokamak prévue pour atteindre un point de fonctionnement capable de produire plus d'énergie qu'il n'en consomme.
Les outils numériques : TOKAM3X et MHDG
Deux outils de simulations ont été utilisés :
- TOKAM3X (actuellement SOLEDGE3X-HDG) qui réalise des simulations numériques directes 3D de plasma de bord de tokamak (configuration limiteur ou divertor) dans une approche fluide (volumes finis).
- MHDG qui réalise également des simulations numériques 3D de transport (sans turbulence) de plasma de bord mais sur des géométries réalistes avec une approche originale de schéma hybride de Galerkin (élements finis), toujours dans l'approche fluide.
Simulations TOKAM3X en limiteur
TOKAM3X permet de choisir les modèles d'équations fluides :
- Un modèle N-Gamma (conservation de la masse et de la quantité de mouvement). La turbulence est assurée par une équation sur le potentiel électrique entre les ions et les électrons.
- Un modèle N-Gamma-T (conservation de la masse, de la quantité de mouvement et de l'énergie). L'équation sur les températures ioniques et électroniques ajoute une physique complexe dont l'influence a donné des différences de conclusions majeures.
Simulations MHDG en divertor (WEST)
Les simulations MHDG permettent également de choisir deux modèles d'équations avec le choix de mettre ou non la conservation de l'énergie à travers les équations portant sur les températures ioniques et électroniques. Ce code a permis d'étudier diverses perturbations magnétiques :
- Les RMP (resonant magnetic perturbation), étudiées également avec TOKAM3X.
- Le ripple (ondulations du champ dûes à l'écartement des bobines).