Etude de la convection naturelle turbulente en cavité verticale différentiellement chauffée : Analyse des structures et des transferts turbulents

par Pierre Belleoud

Thèse de doctorat en Energétique, thermique, combustion

Sous la direction de Denis Lemonnier et de Didier Saury.

Le président du jury était Shihe Xin.

Le jury était composé de Florian Moreau.

Les rapporteurs étaient Francesca Chilla, Pierre Paranthoën.


  • Résumé

    Les écoulements de convection naturelle en espace confiné sont généralement turbulents (grandes dimensions et/ou écarts de température importants). L'approfondissement de la connaissance de ce régime et des transferts qui y sont associés semble donc essentielle. Cette étude expérimentale concerne les mécanismes de transferts thermiques turbulents en s'appuyant sur des mesures couplées vitesse/température dans un écoulement de convection naturelle turbulente à haut nombre de Rayleigh (Ra1-1= 1,2x1011) au sein d'une cavité différentiellement chauffée de rapport de forme vertical (hauteur/largeur) égale à 4. Une chaîne de mesure PIV permet les acquisitions de vitesse tandis que la température est mesurée par micro-thermocouple de type K (0=12,7 μm). Les deux mesures étant synchronisées via un générateur de pulses type BNC®. Une attention particulière a été portée à la détermination des conditions aux limites en température des parois adiabatiques et au post traitement des données de PIV à l'aide d'une décomposition orthogonale basée sur l'énergie cinétique des champs de vitesse (POD). Cela a rendu possible, d'une part le calcul expérimental de quantités liées à la turbulence comme les flux d'enthalpie et des nombres adimensionnés pour la turbulence (Prandtl, diffusivité ... ) et, d 'autre part, l'évaluation de la contribution des autres termes des équations de Navier-Stokes (gradient de pression et terme source volumique). Enfin, une discussion sur les échelles caractéristiques de l'écoulement est menée et une comparaison avec des résultats de simulations numériques est apportée.

  • Titre traduit

    Study of the Turbulent Natural Convection in a Differential Heated Cavity : Analysis of the Turbulent structures and Transfers


  • Résumé

    Natural convection flows in confined spaces are often turbulent (large dimensions and/or temperature difference ). Improving the knowledge of this type of regime and of the associated heat and mass transfers seems, therefore, to be essential. This experirnental work studies heat transfer mechanisms using coupled and synchronized measurernents of temperature and velocity in a turbulent natural convection flow at high Rayleigh number (Ra1-1=I.2 x1011) in a differentially heated cavity with a vertical aspect ratio (height/width) of 4. Velocity measurernents are acquired by PIV and temperature is measured with K-type micro-thermocouple (0=12.7 μm). Both measurementsystems are synchronized using a BNC® pulse generator. Thermal boundary conditions of the adiabatic walls and post treatment of PIV data using an orthogonal decomposition based on the kinetic energy of the flow - POD - have been considered with caution. It makes possible, on the one hand, the experimental assessment of turbulent quantities like enthalpy fluxes and dimensionless nurnber (Prandtl, diffusivity ... ) and, on the other hand the estimation of the contribution of the other terms of Navier-Stokes equations (pressure gradient and source term). Finally a discussion on characteristic scales of the flow and a comparison with numerical simulations are provided.


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