La simulation numérique au service d’un développement soutenable

La simulation numérique s’impose comme une technique globale, utilisée à la fois par les chercheurs comme outil de compréhension et d’expérimentation sur des phénomènes complexes et par les ingénieurs pour concevoir différents systèmes et objets. Au XXI^e siècle, ses usages dépassent largement son domaine d’application principal : la mécanique. Les techniques de simulation sur ordinateur ont en effet été inventées afin de répondre aux besoins de l’industrie mécanique (génie civil, production d’énergie, constructions des domaines aéronautique, spatial, naval, etc.). Elles contribuent dans ce secteur à l’optimisation des performances des produits (durée de vie, impact sur l’environnement, etc.) et au développement de nouveaux matériaux et procédés de production. Au-delà de ses applications dans l’industrie, elle est un outil qui permet en particulier de comprendre de nombreux phénomènes (physiques, biologiques, physiologiques) et de trouver des solutions afin que le développement de notre civilisation soit soutenable. Son usage s’étend à de nombreux domaines. En sciences fondamentales, comme celles de la Terre et de l’Univers, elle permet de réaliser des expériences virtuelles, par exemple afin de comprendre et prévoir la signature certains phénomènes physiques, et de tenter d’anticiper leur détection (par exemple, la simulation a contribué à la « découverte » récente des ondes gravitationnelles) ou leurs conséquences possibles (par exemple, la simulation d’éruptions volcaniques contribue à établir des cartes de risque). En outre, les simulations permettent de répondre à des enjeux de société parmi lesquels : le climat (les prédictions actuelles sur l’impact des activités humaines sur le climat et ses évolutions possibles doivent beaucoup aux modèles numériques, toujours plus fins, et à l’augmentation des vitesses de calcul) ; l’énergie (optimiser les procédés actuels, par exemple dans le secteur du pétrole ou du nucléaire, et développer de nouveaux procédés, comme l’éolien, les biocarburants, le solaire… ou la fusion nucléaire) ; l’agriculture (comprendre la croissance des plantes, étudier la pollution des sols, prédire les rendements de parcelles ou régions en fonction des pratiques agricoles et des ressources disponibles) ; les bâtiments et les villes (simulations de la circulation urbaine, des ambiances sonores et de l’exposition aux ondes électromagnétiques) et enfin la biomécanique (intégrant des modèles mécaniques « avancés », les techniques de modélisation numérique ouvrent la voie au développement « d’organes virtuels », cœurs, poumons, muscles, etc.). Les simulations numériques se fondent sur des modèles mathématiques exprimés à l’aide d’équations et de données, et sur des moyens de calculs toujours plus performants. L’objectif de cet article est de montrer, au travers d’exemples concrets empruntés aux domaines précités, comment cette technique se généralise, et quels en sont ses usages, afin de répondre non seulement aux besoins de conception, mais aussi plus largement d’outils d’aide à la décision, au service d’un développement soutenable c’est-à-dire qui intègre ses enjeux environnementaux et sociétaux.

Le lecteur trouvera ces références dans la rubrique « Pour en savoir plus » associée à cet article. Une bibliographie supplémentaire et des liens vers des sites internet lui proposent des ressources utiles afin d’approfondir ses connaissances sur le sujet.