Thèse ONERA LMFL: Simulation numérique et modélisation des événements extrêmes de la couche limite urbaine pour une application destinée aux vols d’UAVs

L’amélioration des technologies de drones (Unmanned Aerial Vehicles, UAVs) rend de plus en plus
envisageable leur utilisation pour la cartographie 3D, le secours en cas de catastrophes naturelles ou
encore le transport de colis en zone urbaine (Barrado et al. 2020). Ce secteur est en croissance constante
si bien que les zones d’utilisation de drone ne cessent de s’étendre notamment en milieu urbain. Ce dernier nécessite la planification et la construction de nouvelles structures
d’accueil de type Vertiport. L’utilisation de drones en milieu urbain que ce soit pendant les phases de
décollages, d’atterrissages ou de transites représente cependant un défi pour le vol d’un aéronef ayant si
peu d’inertie et d’envergure.
En effet, la Couche Limite Atmosphérique (CLA), i.e. la région de l’atmosphère directement influencée par
la surface terrestre, est un environnement très complexe caractérisé par des échanges de quantité de
mouvement, de chaleur et d’humidité dont le principal vecteur est la turbulence atmosphérique.
L’intensité turbulente dans cette région de l’atmosphère (approximativement de 0 à 1 km d’altitude) est très
élevée (de l’ordre de 30 % à proximité immédiate de la surface) du fait des frottements avec la surface et
éventuellement des différents forçages thermiques et hydriques qu’elle subit (en fonction de la nature du
terrain et de l’instant considéré).
spécifique des rugosités de terrain. A hauteur des éléments qui compose cette rugosité (bâtiments, rues,
arbres, etc) l’écoulement, dît « de canopée », révèle des variations temporelles et spatiales très importantes
et très sensibles à la configuration spécifique observée. Or, c’est dans cette sous-couche qu’un drone est
destiné à évoluer pour une utilisation en milieu urbain.
Les études d’impact des conditions extérieures sur le vol d’un UAV montrent que les conditions de vent et
de turbulence y occupent une part essentielle. Un enjeu majeur pour
une utilisation opérationnelle des UAVs en milieux urbains consiste ainsi à caractériser ces conditions. Pour
autant, une connaissance précise des événements turbulents dangereux pour les drones et les
mécanismes d’interactions sur la dynamique du vol restent seulement partiellement connus.

La simulation numérique par Large-Eddy Simulation (LES) est un outil essentiel pour parvenir à capturer la
complexité des scènes et des écoulements mis en jeu.
Son utilisation permet d’obtenir le champ volumique global autour d’une géographie donnée en fonction du
temps. Ainsi, il est possible d’identifier les zones pouvant être critiques pour la sécurité de navigation du
drone en milieu urbain (par exemple, le sillage turbulent d’un bâtiment). Une modélisation de ces
évènements dangereux de l’écoulement peut ensuite être utilisée directement du système de navigation du
drone par assimilation de donnée. Cependant, afin d’estimer avec précision la dynamique d’un écoulement
urbain, il est nécessaire de correctement représenter les conditions d’entrée de la simulation : la couche
limite atmosphérique. L’utilisation de méthodes LES reste couteuse dans le cas d’une représentation de
zones urbaines principalement dû à la complexité de la géométrie (la grande quantité de bâtiments
représente un nombre important d’éléments rugueux à représenter). L’utilisation de méthodes immergées
permettent de faciliter la mise en donnée des calculs et de calculer l’écoulement pour des résolution
spatiales en dessous du mètre.

Ce projet de thèse a ainsi les objectifs suivants :
• Développer un outil de simulation numérique LES (Large-Eddy Simulation) à l’aide du logiciel CFD
MESO-NH (Météo France) capable de reproduire les écoulements de CLA en milieux urbains sans
et avec forçage thermique 
• Valider plusieurs cas applicatifs à l’aide de données expérimentales en commençant par le cas d’un
bâtiment isolé dans une couche limite atmosphérique neutre.
• Identifier et caractériser les événements turbulents extrêmes qui peuvent être rencontrés en milieux
urbains à l’aide de cet outil.
• Développer une modélisation de ces événements dangereux par « Reduced-Order Methods »
(ROM) pour permettre une prédiction.
• Identifier les caractéristiques d’écoulements pour lesquelles l’impact sur les drones est peu connu
et/ou critique. Ces données pourront être utilisées afin de planifier l’emplacement de Vertiport dans
une zone urbain ainsi que d’identifier les trajectoires de vol d’un drone.

Les candidats sont encouragés à contacter J. Rolland et G. Tanguy avec un CV et une lettre de motivation avant le 10 mai 2023.