Stochasticité spontanée et décollements de couche limite dans les écoulements turbulents de paroi // spontaneous stochasticity and boundary layer separations in wall-bounded turbulent flows

Topic description

Les décollements de couche limite sont parmi les phénomènes les plus difficiles à prédire en mécanique des fluides. Dans les écoulements pariétaux à grand nombre de Reynolds, ils entraînent une transition brutale de la dynamique de la couche limite et la formation de structures tourbillonnaires intenses capables de modifier l'écoulement à grande échelle. Ces événements jouent un rôle majeur dans de nombreux contextes naturels et industriels (écoulements atmosphériques, aérodynamique, hydrodynamique environnementale) mais leur localisation et leur dynamique restent extrêmement sensibles aux conditions initiales et aux perturbations de faible amplitude.
L'imprévisibilité de la turbulence est souvent attribuée au chaos des équations de la dynamique des fluides, illustré par l'« effet papillon » introduit par E.N. Lorenz. Cependant, Lorenz avait suggéré une possibilité plus profonde : certains écoulements multi-échelles, pourraient devenir intrinsèquement probabiliste, même en l'absence de perturbations externes. Dans ce cas, l'imprévisibilité ne serait plus seulement liée au chaos, mais à une perte effective de déterminisme de la dynamique.
Cette idée est aujourd'hui formalisée dans le cadre de la stochasticité spontanée, où plusieurs évolutions macroscopiques peuvent émerger à partir de conditions initiales pratiquement identiques. Les décollements de couche limite, caractérisés par des gradients de vitesse extrêmes et des structures tourbillonnaires intenses, constituent des candidats naturels pour l'apparition d'un tel phénomène]. La thèse vise à explorer expérimentalement si ces événements peuvent conduire à une perte intrinsèque de déterminisme dans des écoulements hydrodynamiques contrôlés.
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Boundary layer separations are among the most challenging phenomena to predict in fluid mechanics. In high-Reynolds-number wall-bounded flows, they trigger an abrupt transition in boundary layer dynamics and the formation of intense vortical structures capable of altering the large-scale flow. These events play a major role in many natural and industrial contexts (atmospheric flows, aerodynamics, environmental hydrodynamics), yet their location and dynamics remain extremely sensitive to initial conditions and low-amplitude perturbations.
The unpredictability of turbulence is often attributed to the chaotic nature of fluid dynamics equations, as illustrated by the 'butterfly effect' introduced by E.N. Lorenz. However, Lorenz suggested a deeper possibility: some multi-scale flows might become intrinsically probabilistic, even in the absence of external perturbations. In this case, unpredictability would no longer be solely due to chaos but to an effective loss of determinism in the dynamics.
This idea is now formalized within the framework of spontaneous stochasticity, where multiple macroscopic evolutions can emerge from practically identical initial conditions. Boundary layer separations, characterized by extreme velocity gradients and intense vortical structures, are natural candidates for the emergence of such a phenomenon. This thesis aims to experimentally explore whether these events can lead to an intrinsic loss of determinism in controlled hydrodynamic flows.
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Début de la thèse : 01/10/

Funding category

Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)

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