Coherent structures and impact of the external thermal stratification in a transitional natural convection vertical channel

par Martin Thebault

Thèse de doctorat en Énergétique

Le président du jury était Hamda Ben Hadid.

Le jury était composé de Stephanie Giroux-Julien, Christophe Ménézo, Victoria Timchenko, Bérengère Podvin, Oronzio Manca.

Les rapporteurs étaient Steven Armfield, Marc Medale.

  • Titre traduit

    Structure cohérentes et impact de la stratification extérieure dans un écoulement de convection naturelle en canal vertical


  • Résumé

    Dans les écoulements de convection naturelle en canal, de nombreuses structures cohérentes se développent. Leur rôle dans les transferts de masse et de chaleurs reste aujourd’hui mal connu. Des études numériques basées sur des Simulations aux Grandes Echelles d’un canal vertical dont un des côtés est chauffé uniformément à flux constant ont donc été entreprises. Différentes étapes de la transition laminaire-turbulente sont identifiées et deux bandes de fréquences sont observées en proche paroi chauffée. Une méthode, basée sur la Proper Orthogonal Decomposition (POD), a aussi été utilisée et a permis une très nette séparation spatio-temporelle des modes les plus énergétiques de l’écoulement en fonction des fréquences précédemment identifiées. Il devient donc possible d’étudier la contribution de ces modes à l’écoulement. Une analyse POD des champs de vitesses expérimentaux permet l’identification de similarités avec les structures observées numériquement.Les variations du gradient de température extérieur au canal, ont été identifiées comme l’une des sources de ces différences et ont fait l’objet d’études expérimentales et numériques. Il est montré qu’un augmentation du gradient positif de température diminue le débit mais aussi déplace la transition plus bas dans le canal. Les études numériques permettent également d’étudier le cas de gradients de température faibles ou négatifs, gradients qui sont difficile à obtenir expérimentalement. Un modèle théorique de l’influence de la stratification extérieure sur le débit massique induit est aussi développé. L’accord entre les résultats prédits et les résultats expérimentaux et numériques est excellent. Ce dernier point souligne que la stratification thermique est un facteur clé dans ce type d’écoulement et que son influence est précisément quantifiée dans ce travail


  • Résumé

    In natural convective flows, complex coherent structures develop whose the role in heat and mass transfer are not well understood. A numerical study, based on Large-Eddy-Simulations of a vertical channel with one side uniformly was therefore carried out. Different stages of transitional flow development were identified numerically with two characteristic frequency bands being observed in the flow, near the heated wall. Methods derived from the Proper Orthogonal Decomposition (POD) was also used and allows the most energetic modes to be separated accordingly to two characteristic frequency bands found numerically. As result, the contribution of the two families of modes to the near wall turbulent heat transfer and velocity-temperature correlation has been evaluated. POD was also performed on experimental measurements showing similarities with the numerically observed structures.In this work, variations of the external thermal stratification have been identified as one possible source of these differences and its influence was therefore investigated experimentally and numerically. It is shown that the increase in the positive gradient of the external stratification not only decreases the mass flow rate but also displaces the transition height to a lower location in the channel. Numerical simulations also allow the study of cases of weak and negative thermal stratifications which are difficult to achieve in laboratories. A theoretical model of the influence of the external thermal stratification on the mass flow rate was also developed. There is an excellent agreement between the theoretical predictions and the experimentally and numerically obtained mass flow rates. This clearly highlights that external temperature distributions are key driving factors and their influence is accurately quantified in this work


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