Convection thermique turbulente : Panaches et Fluctuations

Thermal turbulent convection : Thermal plumes and fluctuations

• Auteur / Autrice : Mathieu Gibert
• Direction : Bernard Castaing
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Lyon, École normale supérieure (sciences)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Panaches (dynamique des fluides)

Turbulence

Instabilité de Rayleigh-Taylor

Chaleur -- Convection

Résumé

Dans ce travail, nous avons abordé le phénomène de la Convection Thermique Turbulente sous des angles nouveaux et innovants. Le premier système que nous abordons expérimentalement est un Canal Vertical dit Infini au sein duquel règne un gradient de température moyen constant. Le flux de masse dans ce canal est nul. L’image qui se dégage de nos mesures est celle d’un écoulement majoritairement inertiel, où les coefficients dissipatifs (la viscosité en l’occurrence) n’interviennent que pour fixer une longueur de cohérence L. Cette longueur est celle sur laquelle les panaches thermiques peuvent êtres considérés comme en « chute libre ». Le transport horizontal (d’impulsion et de chaleur) est entièrement dû aux fluctuations. La « longueur de mélange » associée est petite devant la largeur du canal. Par contre, le transport de chaleur vertical est dû à des structures cohérentes, les panaches. Ces panaches, nous les retrouvons dans une étude Lagrangienne de l’écoulement au centre d’une cellule de Rayleigh Bénard. La sonde est une sphère de 2 cm de diamètre qui a la même densité que le fluide que nous utilisons, équipée de thermomètres et d’un émetteur radio. Elle est transportée par les panaches, ce qui nous permet une étude statistique de ceux-ci.

In this study we investigate the phenomenon of thermal turbulent convection in new and unprecedented ways. The first system we studied experimentally is an « infinite » vertical channel, where a constant vertical mean gradient of temperature exists. Inside this channel the average mass flux is null. The results obtained from our measurements reveal that the flow is mainly inertial; indeed the dissipative coefficients (here the viscosity) play a role only to define a coherence length L. This length is the distance over which the thermal plumes can be considered as « free falling » objects. The horizontal transport, of heat and momentum, is entirely due to fluctuations. The associated « mixing length » is small compared to the channel width. In the other hand, the vertical heat transport is due to coherent structures: the heat plumes. Those objects were also investigated in a Lagrangian study of the flow in the bulk of a Rayleigh-Bénard cell. The probe, which has the same density as the fluid used in this experiment, is a sphere of 2 cm in diameter with embarked thermometers and radio-emitter. The heat plumes transport it, which allows a statistical study of such objects.