Échanges turbulents en convection thermique

par Éleonore Rusaouën

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Francesca Chilla.

Soutenue le 08-10-2014

à Lyon, École normale supérieure , dans le cadre de École doctorale de Physique et d’Astrophysique (Lyon) , en partenariat avec Laboratoire de physique (Lyon) (laboratoire) .

Le président du jury était Jacques Magnaudet.

Le jury était composé de Francesca Chilla, Jacques Magnaudet, Innocent Mutabazi, Bernard Castaing, Sergio Ciliberto.

Les rapporteurs étaient Anne Davaille, Innocent Mutabazi.


  • Résumé

    La problématique des échanges turbulents en convection thermique est abordée au travers de deux écoulements complémentaires en eau, Prandtl compris entre 2.5 et 6.5.Le premier est une cellule de Rayleigh-Bénard asymétrique. La plaque chaude située au bas de la cellule présente des rugosités périodiques de taille contrôlée. La plaque froide en haut de la cellule est, au contraire, lisse. Le flux de chaleur est imposé à la plaque chaude. Dans la gamme de forçage explorée dans ce travail, les deux plaques sont indépendantes ce qui permet une comparaison in-situ entre une plaque lisse et une plaque rugueuse. Par comparaison avec des résultats de référence, nous mettons en évidence une augmentation importante du nombre de Nusselt (flux de chaleur adimensionné) associé à la plaque rugueuse alors que celui de la plaque lisse demeure inchangé. Cette augmentation semble pilotée par la hauteur des rugosités choisies.Le second écoulement étudié ici est un écoulement en canal thermique. La géométrie du dispositif permet de s'affranchir des conditions aux limites à l'injection du flux de chaleur. L'expérience étant inclinable, il est possible d'étudier les effets de la stratification sur l'écoulement, puisqu'elle est de plus en plus importante avec l'augmentation de l'inclinaison. En fonction du couple (flux de chaleur, inclinaison), quatre régimes d'écoulements distincts peuvent apparaître. Nous proposons une modélisation pour trois d'entre eux, dont un modèle d'écoulement turbulent. Ce modèle est ensuite validé à plus haut Reynolds dans une nouvelle expérience à grande échelle, qui permet d'explorer le régime de turbulence inertielle induit par l'écoulement.

  • Titre traduit

    Turbulent exchanges in thermal convection


  • Résumé

    The question of turbulent exchanges in thermal convection is studied with two kind of complementary flows in water, Prandtl number is kept between 2.5 and 6.5.The first one is an asymmetrical Rayleigh-Bénard cell. The hot bottom plate of the cell is covered with periodical obstacles of controlled size, whereas the cold top plate is kept smooth. The thermal flux is imposed at the hot plate. Considering the range of thermal forcing imposed to the cell, the two plates can be considered independent, which allows in-situ comparison between the smooth plate and the rough one. Comparison with reference results underlines a huge increase of the Nusslet number (non dimensional thermal transfer) of the rough plate whereas the transfer of the smooth plate remains unchanged. This increase seems to be controlled by the height of the obstacles.The second flow studied here is a thermal channel. The geometry of the apparatus allows the channel to be free of the influence of boundary conditions. By tilting the experiment, it is possible to study the influence of stratification on the flow. The larger the inclination is, the larger is the stratification. Considering the (heat flux, inclination) couple, four regimes of flow can be identified. We detailed a model for three of them, including a turbulent flow model. This model is then tested at higher Reynolds number in a new experiment at large scale. In this case the inertial range of turbulence is investigated.


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