Etude des échanges énergétiques en convection thermique turbulente

Energy flows analysis in turbulent thermal convection

• Auteur / Autrice : David Dumont
• Direction : Francesca Chilla
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 25/10/2021
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École normale supérieure de Lyon (2010-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique (Lyon ; 1988-....)
• Jury : Président / Présidente : Bérengère Dubrulle
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Francesca Chilla, Bérengère Dubrulle, Mathieu Creyssels, Romain Monchaux, Mickaël Bourgoin, Armann Gylfason, Julien Salort, Anne Sergent
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mathieu Creyssels, Romain Monchaux

Mots clés

Mots clés contrôlés

Turbulence

Chaleur -- Convection

Mots clés libres

Convection thermique

Suivi lagrangien

Rayleigh-Bénard

Transferts d’énergie

Turbulence

Mesure de température

Cristaux thermochromiques

PIV-PIT

PIT

4D-PTV

Mesure du taux de dissipation

Caractérisation lagrangienne

Thermal convection

Lagrangian tracking

Rayleigh-Bénard

Energy flows

Turbulence Thermochromic

Temperature measurement

Liquid cristals

PIV-PIT

PIT

4D-PTV

Dissipation rate measurement

Lagrangian caracterisation

Résumé

Au cours de cette thèse, nous avons étudié expérimentalement le phénomène de convection thermique turbulente pour répondre à deux problématiques : Peut-on décrire la turbulence du système d’un point de vue lagrangien ? Comment l’énergie cinétique et thermique est-elle transférée au sein du système à petite échelle ? Tout d’abord la turbulence du système a été caractérisée par des mesures de 4D-PTV permettant de suivre l’évolution 3D de traceurs lagrangiens au cours du temps. Nous avons montré que le modèle lagrangien de turbulence décrit correctement les fluctuations de vitesse. De plus, les modèles de dispersion de paires de particules semblent vérifiés dans cet écoulement. Ensuite, nous avons mené un bilan énergétique échelle par échelle dans l’optique de déterminer la distribution spatiale des différents transferts d’énergie. En comparant expériences et simulations numériques, nous avons ainsi montré que dans les zones de recirculation, l’énergie est transférée vers les petites échelles en suivant la cascade directe pour y être dissipée par viscosité. Cette dissipation est d’ailleurs maximale dans ces zones. Au contraire, à proximité des parois chaude et froide, l’énergie semble suivre une cascade inversée en allant des petites vers les grandes échelles. De plus, nous proposons une quantification de l’impact du champ moyen sur ces bilans énergétiques.Enfin, nous avons réalisé des mesures simultanées de vitesse et de température à l’aide de cristaux liquides thermochromiques. Nous avons ainsi pu estimer pour la première fois une carte du flux thermique au sein de l’écoulement tout en la comparant aux cartes issues des simulations numériques.

During this thesis, we study experimentally turbulent thermal convection in order to answer to two fondamental issues: can we describe the turbulence of the flow following lagrangian scheme? How is the energy transfered within the flow at small scale?First of all, the turbulence of the flow is caracterised by 4D-PTV measurements that make possible to track tracers in 3D over time. We show that lagrangian turbulence model describes properly velocity fluctuations. Moreother, models for particle dispersion are observed in this flow.Afterwards, we carry out a scale by scale energetic analysis to determine spatial distribution of thermal and kinetic energy flows. Comparing experiments and numerical simulations, we show that in the recirculation area, the energy goes from large scales to small scales following the Kolmogorov direct energy cascade, to be dissipated there by viscosity. This is why the dissipation is highest in these areas. On the contrary, close to hot and cold plates, the energy seems to follow an inverted energy cascade, going from small towards large scales. Besides, we propose a quantification of the impact of mean velocity field over these energy balances.Lastly, we realise simultaneous measurements of velocity and temperature thanks to thermochromic liquid cristals. Thus, we estimate for the first time an experimental map of the thermal flux within the flow, whilst comparing it to maps provided by numerical simulations.