Radiative heating achieves the geostrophic turbulence regime of convection

Convection géostrophique turbulente engendrée par chauffage radiatif

• Auteur / Autrice : Vincent Bouillaut
• Direction : Sébastien Aumaître, Basile Gallet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 14/01/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : Physique en Ile de France
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Service de physique de l'état condensé (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Francesca Chilla
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabien Godeferd, Nicolas Mordant, Christophe Gissinger
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fabien Godeferd, Nicolas Mordant

Mots clés

Mots clés contrôlés

Coriolis, Force de

Turbulence

Chaleur -- Convection

Mots clés libres

Convection thermique

Turbulence

Dynamique des fluides astrophysiques

Rotation

Géostrophique

Astrophysical fluid dynamics

Thermal convection

Turbulence

Geostrophic

Rotation

Résumé

Nous nous intéressons au phénomène de convection en rotation rapide forcée par une source radiative de chaleur. La convection par forçage radiatif s’avère pertinente pour décrire les intérieurs stellaires et planétaires, où le principal défi est de quantifier le transport turbulent. Une question fondamentale est l’impact de la rotation globale sur ce transport turbulent. Du point de vue théorique, ces systèmes peuvent a priori opérer dans différents régimes, depuis une convection faiblement affectée par la rotation jusqu’au régime de « turbulence géostrophique » de convection en rotation rapide. Ce dernier a été prédit en 1979 mais attend toujours une confirmation expérimentale. Les expériences existantes sont toutes basées sur une injection de chaleur par conduction entre la paroi et le fluide, un transfert qui s’avère peu efficace. L’idée ici est d’utiliser un forçage radiatif, i.e., une source de chaleur partiellement volumique, afin d’injecter en partie la chaleur directement dans l’écoulement turbulent. Ce type de forçage a déjà démontré sa capacité à atteindre des régimes de convection pleinement turbulente. Nous avons donc modifié l’expérience existante et son système de mesure afin d’ajouter une rotation d’ensemble. Après avoir vérifié que le seuil de la convection en rotation est peu modifié par l’utilisation d’une source de chaleur partiellement volumique, nous étudions expérimentalement l’effet de la rotation sur l’efficacité de la convection thermique turbulente, en termes de flux de chaleur adimensionné. Nous observons que, pour une vitesse de rotation suffisamment grande, l’efficacité de la convection thermique diminue comparée au cas sans rotation. Nous montrons que cette diminution suit la loi de puissance du régime de « turbulence géostrophique » prédite en 1979. L’utilisation d’une source radiative de chaleur nous permet donc de réaliser la première observation expérimentale de ce régime extrême de convection.

We study rapidly rotating convection forced by a radiative heat source. Radiative heating is relevant to stellar and planetary interiors, where the main challenge is to quantify the transport of heat and tracers by turbulent convection, including the crucial impact of global rotation. Rotating convection can operate in various regimes ranging from weakly rotating convection to the "geostrophic turbulence" regime of rapidly rotating convection. The latter was predicted in 1979, and has been awaiting laboratory confirmation ever since, despite the development of ever-taller rotating convection experiments worldwide. The common point of these experiments is heat injection through conduction between the wall and the fluid, a rather inefficient transfer mechanism. The idea here is to use radiative forcing, i.e., a partially volumic heat source, to inject heat directly into the turbulent flow. This type of forcing has already proven able to achieve fully turbulent convection. We modified the existing experiment to subject the flow to uniform global rotation. After verifying, through the development of a finite difference code, that the threshold of rotating convection is hardly modified by the partially volumic heat source, we experimentally study the effect of rotation on the turbulent convective flow (in terms of dimensionless heat flux). We observe that, for sufficiently fast rotation, the efficiency of thermal convection decreases as compared to the case without rotation. Finally, we show that this decrease follows the scaling prediction of the "geostrophic turbulence" regime. Radiative heating thus allows us to provide the first clear experimental observation of this extreme regime.