Convection thermique turbulente dans le mercure

Experimental study of high-rayleigh-number convection in mercury

• Auteur / Autrice : SIMONE CIONI
• Direction : Joël Sommeria
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 1996
• Etablissement(s) : École normale supérieure (Lyon ; 1987-2009)

Résumé

Ce travail experimental est consacre a l'etude de la convection de rayleigh-benard (couche de liquide confinee entre deux parois horizontales soumise a un gradient vertical de temperature) en regime de turbulence developpee. L'experience menee dans une cellule convective a geometrie cylindrique de 21,3 cm de hauteur et rapport d'aspect 1 a comme but d'etudier la convection dans le mercure (a faible nombre de prandtl pr = 0,025), la comparaison avec des experiences dans l'eau (pr = 7). Le nombre de rayleigh obtenu dans le mercure, ra 3 10**(9), depasse largement ce qui avait ete atteint auparavant. Le cas des faibles pr est important pour ses applications tant industrielles (elaboration des metaux, echanges thermiques avec le sodium liquide), que geophysiques (noyau terrestres) et astrophysiques (convection dans les etoiles). Nous avons mis en evidence la formation spontanee d'un ecoulement moyen, inherente au mecanisme de convection. La structure spatiale et la dynamique de cet ecoulement ont ete analysees, ainsi que son influence sur les transferts thermiques. Nous avons par ailleurs mesure dans cette experience le flux de chaleur global en fonction du nombre de rayleigh. Nous avons de plus etudie les fluctuations locales de temperature a l'interieur de la cellule, leur spectre d'energie et ses proprietes d'intermittence, pour caracteriser la dynamique de la turbulence. Dans le mercure la temperature se comporte comme un scalaire passif (spectres de kolmogorov k**(-5/3), tandis qu'elle a un role actif dans l'eau, avec des spectres de bolgiano en k**(-7/5)