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Benjamin Luce

Maître de conférences CNU : SECTION 60 - MECANIQUE, GENIE MECANIQUE, GENIE CIVIL

Axes de recherche

Écoulement géophysique

Ma thématique actuelle (LMFL) porte sur la caractérisation de la turbulence dans les écoulements géophysiques, principalement tournée sur la couche limite atmosphérique.

Les outils numériques : ERF et OpenFOAM

Deux outils de simulations sont utilisés :

  • ERF (Energy Research Forecast) est un code massivement parallèle (MPI+X, dont GPU) avec maillage adaptatif capable de simuler les équations de l'atmosphère.
  • OpenFOAM est une boîte à outils de simulation, essentiellement pour la mécanique des fluides, adaptée pour des problématiques industrielles.

Couche limite atmosphérique

Cette thématique concernait mon sujet de post-doc (LHEEA, 2021-2023) sur la simulation et la compréhension de la couche limite atmosphérique dans des conditions réalistes. Deux thématiques ont été étudiées :

  • le transport d'aérosols marins (interface terre-mer dans la baie du Croisic)
  • les jets de basses couches.

Les outils numériques : WRF et ARPS

Altitude et emboîtement WRF - ARPS
Visualisation de l'altitude à travers l'emboîtement successif de simulations WRF - ARPS. Plus le domaine est petit en extension horizontale, plus le maillage est fin (adapté de hal-04808282).

Selon nos besoins, deux codes libres et ouverts ont été 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.
  • ARPS est le précurseur de WRF et permet d'y être couplé pour de l'emboîtement multi-échelles (et multi-codes).

Simulations d'aérosols marins en transition côtière

Simulation d'aérosols marins sur le Croisic
Coupe 2D de la concentrations d'aérosols marins en fonction de la distance. La côte est à droite, l'océan Atlantique à gauche.
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 (adapté de hal-04808282).

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 mais les micro-échelles qui se 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 extension en mer. La présence d'une butte suffit à générer des ondes de gravité sur plusieurs dizaines de kilomètres avec un impact potentiel pour la ressource éolienne.

Plasma de fusion nucléaire

Cette thématique concernait mon sujet de thèse et un post-doc (M2P2/CEA Cadarache, 2017-2021). 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

Configurations possibles de tokamaks
Les configurations possibles de tokamaks : limiteur et divertor avec les éléments caractéristiques de ces géométries.

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

Image 3D densité température avec perturbations magnétiques
Modélisation 3D configuration limiteur avec TOKAM3X. La densité du plasma est à gauche, la température à droite. Les perturbations magnétiques sont symbolisées par les bobines rectangulaires. Les lignes de champs magnétiques sont également tracées.

TOKAM3X permet de choisir les modèles d'équations fluides :

  1. 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.
  2. 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)

Maillage du tokamak WEST avec MHDG
Maillage pour un calcul en éléments finis du tokamak WEST pour MHDG

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).