Etude du regime turbulent en convection de rayleigh-benard dans l'helium liquide ou gazeux autour de 5 k

par XAVIER CHAVANNE

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de BERNARD CASTAING.

Soutenue en 1997

à Grenoble 1 .

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  • Résumé

    Un volume d'helium a basse temperature (entre 2 et 7 k), enferme dans une cellule cylindrique de 20 cm de hauteur et 10 cm de diametre, est chauffe par le bas. Le gradient de temperature, 1 mk < t < 2k, qui s'etablit le long de la cellule, est mesure par un thermocouple atteignant 25 k de resolution. Nous avons travaille avec des densites de l'he de 0. 01 kg/m#3 (gaz) jusqu'a 135 kg/m#3 (en passant pres de la valeur au point critique 69. 6 kg/m#3). Le parametre de controle de la convection, le nombre de rayleigh ra, varie ainsi de 10#3 (regime conductif) a 2 10#1#4 (turbulence developpee), dans des conditions de boussinesq. Parallelement le nombre de prandtl, pr, varie de 0. 6 (loin du point critique) a 30. Des mesures calorimetriques, nous deduisons le nombre de nusselt, nu, en fonction de ra. Des effets non boussinesq sont observes et mesures a faible t (gradient adiabatique) et a fort t. Sur la courbe nu(ra) de ra = 3 10#7 a 2 10#1#1 (pour pr = 0. 7) nous confirmons un comportement en loi de puissance d'exposant proche de 2/7 (le regime dit 2/7). Au-dela, nous observons un nouveau regime dont le comportement est bien represente par ra#0#. #3#9. Nu presente une legere croissance avec pr. Simultanement, pour une cinquantaine de points : 10#7 ra 10#1#4, nous enregistrons les signaux de 2 thermometres places pres du centre et a 2 mm l'un de l'autre. De la correlation des 2 signaux, nous deduisons un nombre de reynolds, re, caracteristique de l'ecoulement. Il varie avec ra comme ra#0#. #4#9 ; sa dependance avec pr est proche de pr#-#0#. #7#0. Le comportement est proche de celui prevu theoriquement. En utilisant nu mesure, nous avons etudie l'evolution avec re de la dissipation visqueuse due aux parois : le changement de regime sur la courbe nu(ra) est ainsi associe a une transition laminaire turbulente de la couche limite de vitesse. Le nouveau regime correspond-il au regime ultime prevu depuis plus de 30 ans ?


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  • Détails : 218 P.
  • Annexes : 47 REF.

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