Vu de loin, la turbulence semble chaotique : des mouvements imprévisibles dans toutes les directions, des changements de vitesse toutes les secondes, des trajectoires erratiques, de grosses structures tourbillonnaires superposées à de minuscules vortex, et jamais deux fois le même schéma. Du point de vue d’un non spécialiste, la turbulence ressemble à un joyeux bazar.

Pourtant à y regarder de plus près ce n’est pas exactement le cas. Mais pour les chercheurs et les ingénieurs, comprendre et prédire les écoulements turbulents reste un challenge délicat car les mécanismes sous-jacents sont complexes, les équations régissant la dynamique sont non linéaires et leur solution ne peut être qu’approximée, et les échelles spatio-temporelles auxquelles se développent la turbulence sont très larges – selon le principe du fameux « effet papillon », un simple battement d’aile peut affecter la météo à des kilomètres. Ce couplage fort entre les échelles est l’un des problèmes que les scientifiques essaient de contourner pour améliorer nos prédictions du comportement des écoulements turbulents.

Aujourd’hui, les simulations obligent à calculer la vitesse du fluide en des milliards de points de l’écoulement depuis les plus petites échelles jusqu’aux plus grandes, comme l’impose l’effet papillon. De telles simulations nécessitent une puissance de calcul énorme et malgré cela, des configurations réalistes complexes restent hors de portée de nos meilleurs calculateurs.

Guillaume Balarac a réalisé un travail remarquable dans ce domaine, notamment grâce à de nombreuses collaborations avec des collègues spécialistes de l'expérimentation en mécanique des fluides. Son idée était de mieux comprendre comment les petites échelles influencent les plus grandes, et de trouver une façon d’exprimer cette influence dans des modèles numériques sans avoir à calculer chaque point de l’écoulement. En d’autres termes, la stratégie consistait à trouver des expressions mathématiques plus simples pouvant être utilisées pour rendre compte de la contribution globale des petites échelles sur l’écoulement à grande échelle, sans devoir en calculer chaque partie. Le challenge réside dans la réduction des puissances de calcul nécessaires à la simulation d’écoulements turbulents complexes, tout en gardant une bonne précision dans les prédictions.

Ses résultats s’appliquent à l’étude et l’amélioration de systèmes dans lesquels des fluides turbulents sont présents comme les turbines hydrauliques ou les éoliennes, les machines tournantes, les systèmes d’atomisation et injecteurs pour ne citer que ses travaux les plus récents.

Le 26 novembre dernier, il a reçu le prix Espoir IMT* Académie des Sciences 2019 pour sa contribution scientifique exceptionnelle dans le domaine.

Guillaume Balarac est enseignant chercheur au Laboratoire des Ecoulements Géophysiques et Industriels dans l'équipe Modélisation et Simulation de la Turbulence.

*Institut Mines Télécom

Crédit Photo : S. Cassanas