Convection thermique : transport et mélange

Thermal convection : Transport and mixing

• Auteur / Autrice : Jean-Christophe Tisserand
• Direction : Bernard Castaing, Francesca Chilla
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Lyon, École normale supérieure
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (Lyon ; 1991-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chaleur -- Convection

Mots clés libres

Convection thermique turbulente

Rayleigh Bénard

Transport

Mélange

Mixing

Turbulence

Thermal convection

Résumé

Dans ce manuscrit, nous nous sommes intéressés au phénomène de convection thermique turbulente. La première partie du manuscrit analyse l'influence de la rugosité sur l'efficacité du transport thermique dans des cellules de convection de ''Rayleigh-Bénard'' cylindrique et rectangulaire. Au vu des mesures thermiques, une transition claire apparait lorsque l'épaisseur de la couche limite thermique est égale à la hauteur caractéristique de la rugosité. Au delà de la transition, un nouveau régime apparait et il ne peut être expliquer par une simple augmentation de la surface d'échange de la plaque rugueuse avec le fluide. Nous proposons ici un modèle qui rend compte de ces observations. Dans la seconde partie, la convection thermique turbulente a été étudiée dans un canal vertical long. Dans cette configuration, des mesures de vélocimétrie par imagerie de particules (PIV) ont montré que l'écoulement était décomposable en deux colonnes de fluide : le fluide chaud montant sur la partie droite du canal et le froid descendant sur le partie gauche et réciproquement. Nous avons étudié de façon systématique l'influence de la puissance injectée sur l'écoulement aux temps longs (retournement global des colonnes de fluide) et courts (obtention des profils de vitesse et de leur fluctuation et mesure de la vitesse des panaches thermiques). Dans une troisième et dernière partie, en plus de la puissance, nous ajoutons un second degré de liberté : l'angle d'inclinaison du canal. Des mesures PIV et des mesures thermiques nous ont permis d'étudier la compétition entre la turbulence et la stratification dans ce canal incliné. Un modèle rendant compte des mesures turbulentes est également proposé.

During this thesis, I have studied turbulent thermal convection. This manuscript can be divided in three parts. In the first part, we have studied the influence of roughness on the efficienty of thermal transport in a cylindrical and in a rectangular Rayleigh Bénard cell. Thanks to thermal measurements, we have observed a transition when the thickness of the thermal boundary layer is equal to the characteristic height of the roughness. Beyond this transition, a new convective regime appears. We purpose here a model which accounts for these observations. In a second part, we have studied turbulent thermal convection in a vertical long channel. In this configuration, PIV measurements unveil that the mean flow can be divided in two columns : either the hot water goes up at the right side et the cold water goes down at the left side or the opposite. Furthermore, we have fully analyzed the influence of the power on the mean flow at once for the long times (time reversals of the columns) and for the short times (mean velocity profiles, fluctuations measurements and thermal plumes velocity). In a third part, a second free paramater is included : the tilted angle. PIV experiments and thermal measurements allowed us to study the competition between turbulence and stratification in the tilted long channel. A model which explains turbulent measurments is developped.