Description du sujet de thèse

L'agrégation de particules en turbulence est une question centrale dans diverses applications des sciences environnementales, allant de la formation des nuages due à la collision de cristaux de glace et/ou de gouttelettes d'eau à la dispersion des polluants à la surface de l'océan, comme dans le cas des sargasses dans la mer des Sargasses, ainsi que dans les écoulements industriels comme dans le traitement de l'eau, la floculation des fibres pour la fabrication du papier, etc. Plusieurs modèles ont été proposés pour estimer le taux de collision des petites particules. Le plus connu est le modèle de Saffman [1] qui considère des particules petites sans inertie et sans perturbation de l'écoulement. Depuis ces premiers travaux, plusieurs modèles ont été proposés pour prendre en compte l'inertie des particules [2], mais on en sait beaucoup moins sur le rôle des interactions hydrodynamiques entre particules. Quelle est l'influence de ces interactions sur le taux de collision et le taux d'agrégation des particules ? Par exemple, un objet plus grand que l'échelle de longueur de Kolmogorov, l'échelle de longueur dissipative de la turbulence, immergé dans un écoulement turbulent, modifiera localement les fluctuations turbulentes. Ainsi lorsque deux objets sont suffisamment proches l'un de l'autre, le spectre des fluctuations du champ de vitesse entre eux devrait être différent de celui observé à l'extérieur. Cela peut être à l'origine d'une force d'interaction entre ces objets.

L'objectif du projet FLIRT est de caractériser et de modéliser les forces induites par les fluctuations (FIF) agissant sur des corps immergés dans des écoulements turbulents afin de quantifier l'importance de cette force sur le processus d'agrégation et d'aller au-delà des modèles actuels d'agrégation qui négligent les interactions hydrodynamiques entre les particules. Pour atteindre cet objectif, trois objectifs ont été identifiés : caractériser cette force dans la turbulence qui a été prédite numériquement [3] et relier l'évolution des FIF aux caractéristiques des écoulements turbulents et aux spectres turbulents, caractériser l'influence de la forme de l'objet, car les particules impliquées dans l'agrégation des particules ne sont généralement pas des plaques planes, et étudier les aspects dynamiques des FIF en relation avec l'agrégation des particules dans la turbulence.

L'objectif du doctorat est de mettre en relation l'évolution de ces forces avec le spectre turbulent 3D et d'étudier les régimes statiques et dynamiques en lien avec l'agrégation de particules dans des écoulements non stationnaires. Pour ce faire, des techniques de mesure de pointe telles que les algorithmes de suivi de particules (3D-PTV) et la stéréo-PIV à grande vitesse seront utilisées pour caractériser l'écoulement entre les objets et à l'extérieur. Les forces subies par les plaques seront mesurées à l'aide de capteurs de force et plusieurs montages expérimentaux seront utilisés pour caractériser l'influence des structures d'écoulement à grande échelle sur les FIF. Le doctorant recruté sera chargé de mener les expériences, d'acquérir et d'analyser les données expérimentales et de contribuer à la modélisation du phénomène.

[1] P.G. Saffman and J.S. Turner. On the collision of drops in turbulent clouds. J. Fluid Mech., 1(1), 1956.
[2] Alain Pumir and Michael Wilkinson. Collisional aggregation due to turbulence. Annu. Rev. Condens. Matter Phys., 7(1), 2016.
[3] V. Spandan et al., Fluctuation-induced force in homogeneous isotropic turbulence, Sci. Adv., 14(6), 2020.

Contexte de travail

Le projet FLIRT est une collaboration entre le LOMA à Bordeaux et l'IRPHE à Marseille, financé par l'Agence nationale de la recherche (ANR). Ce projet a démarré en janvier 2026. Au LOMA, ils seront chargés de l'étude des FIF dans la turbulence 2D. À l'IRPHE, des expériences préliminaires dans la turbulence 3D ont été réalisées dans un réservoir cubique au printemps 2025. Nos mesures montrent que ces FIF existent bel et bien en turbulence 3D et nos résultats sont en accord avec des résultats de simulations numériques [3].

Contraintes et risques

Le candidat ou la candidate doit être titulaire d’un master en physique, mécanique ou d’une qualification équivalente. Une formation en mécanique des fluides est requise. La maitrise de technique expérimentale classique en mécanique des fluides (PIV, ...) sera un atout mais n'est pas obligatoire. Le doctorat débutera à l’automne 2026.