Etude expérimentale d'instabilités à travers la convection turbulente de Rayleigh-Bénard et les instabilités de trajectoires de bulles en ascension

Experimental study of instabilities in turbulent Rayleigh Benard Convection and Path instability of rising bubbles

• Auteur / Autrice : Viswa Maitreyi Moturi
• Direction : Denis Funfschilling
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides
• Date : Soutenance le 30/09/2019
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, sciences de l'information et de l'ingénieur (Strasbourg ; 1997-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des sciences de l'ingénieur, de l'informatique et de l'imagerie (Strasbourg ; 2013-....)
• Jury : Président / Présidente : Yannick Hoarau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Denis Funfschilling, Yannick Hoarau, Christel Métivier, Olga Shishkina, Jan Dusek, Stephan Weiss-König, Nicolas Rimbert, Robert Mosé
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christel Métivier, Olga Shishkina

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fluorescence induite par laser

Instabilités hydrodynamiques

Turbulence

Convection de Rayleigh-Bénard

Mots clés libres

Convection de Rayleigh-Bénard en rotation

Panache

Fluorescence induite par laser

Colonne de vortex

Convection de RayleigInstabilités de trajectoire de bulles

Courbe de stabilité marginale

Rotating Rayleigh-Bénard convection

Plumes

Laser Induced Fluorescence

Vortex column

Bubbles’ path instability

Marginal stability curve

Résumé

Les présents travaux portent sur deux problèmes classiques de mécanique des fluides: la convection turbulente de Rayleigh-Bénard en rotation et l’instabilité de la trajectoire de bulles en ascension dans un liquide. Pour ce qui concerne la convection turbulente de Rayleigh-Bénard en rotation, les champs de vitesse et de température ont été mesurés respectivement par PIV (Particle Image Velocimetry) et par LIF (Laser Induced Fluorescence) dans le plan de symétrie vertical de notre cellule cylindrique de rapport d’aspect 1. Les résultats de PIV confirment l’affaiblissement de la circulation à grande échelle en fonction des nombres Rossby décroissants – jusqu’à sa disparition totale – ainsi que la formation de colonnes de vortex en régime dominé par la rotation. Par des corrélations croisées sur le champ de vitesse, il a été possible de montrer expérimentalement que la vorticité dans les colonnes changeait de signe au centre de la cellule. Les fluctuations de vitesses dans la cellule sont fortement anisotropiques et suivent une loi d’échelle en Ro0.2 en régime affecté par la rotation. La température des colonnes de vortex tout comme celle des panaches a été estimée par des mesures LIF. Pour ce qui concerne l’instabilité de la trajectoire de bulles en ascension, les bulles petites montent verticalement, alors qu’au-dessus d’une certaine taille, elles montent en zigzag ou en suivant une trajectoire hélicoïdale. De nouveaux points expérimentaux sur la courbe de stabilité marginale ont été obtenus en travaillant dans des huiles de silicone de 5 et 10 cst et dans l’eau. L’accord avec les résultats des simulations numériques les plus récentes n’est que partiel. La vitesse ascensionnelle, la fréquence et l’amplitude des oscillations ont été mesurées et suggèrent une bifurcation de Hopf supercritique

The present work focuses on two common fluid flow problems namely, Turbulent Rayleigh-Bénard Convection and Path instability of rising bubbles immersed in a liquid. Concerning Rotating Turbulent Rayleigh-Bénard Convection, the flow field and temperature field were measured respectively by Particle Image Velocimetry (PIV) and Laser Induced Fluorescence (LIF) in a vertical plan of symmetry of our cylindrical cell of aspect ratio 1. The weakening of the Large Scale Circulation with decreasing Rossby number - leading to its complete disappearance - was confirmed as well as the formation of vortex columns in the rotation dominated regime. By doing velocity cross correlations, it has been possible to prove experimentally that the vorticity of the columns change direction in the cell’s center. The velocity fluctuations in the cell are highly anisotropic and follow a scaling of Ro0.2 in the rotation affected regime. The temperature of the vortex columns as well as of individual plumes has been estimated by LIF measurements. Concerning the Path instability of rising bubbles, small bubbles rise in straight path, whereas beyond a critical size, bubbles rise in zigzag or helical path. Some new experimental points on the marginal stability curve have been obtained by working in silicon oils of 5 and 10 cst and in water. The agreement with the most recent numerical simulations is only partial. The rise velocity, frequency and amplitude of oscillation have also been measured and suggest a supercritical Hopf bifurcation.