Convection de Rayleigh-Bénard-Marangoni en récipient cylindrique à fond conducteur soumis à un flux de chaleur localisé

Rayleigh-Bénard-Marangoni convection in a cylindrical container with bottom conductor subjected to localized heat flux

• Auteur / Autrice : Moulay Rachid Es-Sakhy
• Direction : Yves Le Guer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 13/12/2012
• Etablissement(s) : Pau en cotutelle avec Université Ibn Zohr (Agadir)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences exactes et leurs applications (Pau, Pyrénées Atlantiques ; 1995-)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fluides

Écoulement laminaire

Simulation par ordinateur

Chaleur -- Convection

Mots clés libres

Convection Rayleigh-Bénard-Marangoni

Effet Marangoni

Surface libre

Simulation numérique

Étude expérimentale

Transfert conjugué

Récipient cylindrique

Rayleigh-Bénard-Marangoni convection

Marangoni effect

Free surface

Numerical simulation

Experimental study

Conjugate heat transfer

Cylindrical container

Résumé

Le présent travail de recherche concerne l'étude de la convection de Rayleigh-Bénard-Marangoni dans un récipient cylindrique doté d'un fond en substrat solide. Le substrat solide est chauffé sur sa face inférieure par un flux de chaleur localisé. L'étude comporte deux parties : La première partie du travail consiste en une modélisation physique du problème associée à des simulations numériques. Les équations de Navier-Stokes et de l'énergie sont résolues en 3D par une méthode de volumes finis. Un transfert de chaleur conjugué solide-liquide est considéré. Des morphologies originales de cellules (type et nombre) sont observées, elles dépendent des conditions géométriques, des nombres adimensionnels qui régissent la physique de l'écoulement (nombre de Prandtl, de Rayleigh et de Marangoni ainsi que du rapport des conductivités thermiques du substrat solide et du fluide). Les transferts de chaleur sont aussi évalués pour chaque cas d'étude. Dans la deuxième partie, nous allons détaillons une étude expérimentale de la convection de Rayleigh-Bénard-Marangoni dans la même configuration que celle étudiée numériquement. Les structures convectives et leurs évolutions sont étudiées à partir d’images relevées par thermographie infra-rouge. Différents modes d'organisation des cellules convectives ont pu être mis en évidence pour ce type de chauffage à flux thermique imposé non uniforme.

The present research work concerns the study of Rayleigh-Bénard-Marangoni convection in a cylindrical container with a solid substrate base. This solid substrate is heated by a localized heat flux on its underside. The study is divided into two parts : The first part of the work consists of a physical modelling of the problem associated with numerical simulations. The Navier-Stokes and energy equations are solved by using a 3D finite volume method. A conjugate solid-liquid heat transfer is considered. Original morphology of cells (type and number) are observed, they are linked to the geometrical conditions, the dimensionless numbers which govern the physical problem (Prandtl, Rayleigh and Marangoni numbers and the ratio of solid substrate to liquid thermal conductivities). The heat transfers are also evaluated in each case. In the second part of the work, we present an experimental study of Rayleigh-Bénard-Marangoni convection in the same configuration as that studied numerically. Convective structures and their evolutions are studied from images recorded by infrared thermography. Different modes of organization of convective cells have been highlighted for this type of heating with imposed non-uniform heat flux.