Transitions d'écoulements en cavité chauffée latéralement : application à la croissance cristalline

Transitions of flows in laterally heated cavity : application to crystalline growth

• Auteur / Autrice : Abdessamed Medelfef
• Direction : Daniel Henry, Ahcène Bouabdallah
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides
• Date : Soutenance le 17/06/2019
• Etablissement(s) : Lyon en cotutelle avec Université des Sciences et de la Technologie Houari-Boumediène (Alger)
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École Centrale de Lyon (1857-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique des fluides et acoustique (Rhône) - Laboratoire de mécanique des fluides et acoustique
• Jury : Président / Présidente : Mohamed Said Moulay
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Daniel Henry, Ahcène Bouabdallah, Mohamed Saighi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thierry Alboussière, Anne Juel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bifurcation, Théorie de la

Instabilités hydrodynamiques

Mots clés libres

Convection

Instabilités

Bifurcations

Continuation numérique

Écoulement en rotation

Convection

Instabilities

Bifurcations

Numerical continuation

Rotating flow

Résumé

Les instabilités hydrodynamiques en cavité chauffée latéralement jouent un rôle important dans certains processus de fabrication de matériaux tels que le procédé de Bridgman horizontal. En effet, le fluide (métal liquide qui va se solidifier) est le siège d’une circulation thermoconvective due à l’existence d’un gradient de température horizontal qui est susceptible de devenir instationnaire via des instabilités oscillatoires. La connaissance et la maîtrise de ces instabilités sont donc primordiales afin de pouvoir améliorer la qualité des cristaux obtenus par cette technique. Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés en premier aux instabilités affectant la circulation convective dans une cavité tridimensionnelle de dimensions 4×2×1. (longueur × largeur × hauteur). Grâce aux techniques numériques de continuation, nous avons pu obtenir les solutions stationnaires et oscillatoires, ainsi que leur stabilité, jusqu’à l’apparition de la quasi-périodicité en fonction du nombre de Grashof Gr et pour un nombre de Prandtl allant de 0 à 0,025. Ensuite, pour un éventuel contrôle des instabilités, nous nous sommes intéressés aux effets induits par la rotation de la cavité. Nous avons tout d’abord considéré un modèle monodimensionnel que nous avons développé durant cette thèse. Ce modèle analytique, bien que simplifié, est en très bon accord avec les observations en dynamique des écoulements atmosphériques (déviation des masses fluides vers la droite de la composante de vitesse dominante et vents thermiques). La stabilité linéaire de cet écoulement est ensuite effectuée en fonction du taux de rotation donné par le nombre de Taylor et du nombre de Grashof pour un nombre de Prandtl allant de 0 à 10. Nous avons pu montrer à travers ce modèle que la rotation possède un caractère stabilisant vis-à-vis de ce type d’écoulement. Enfin, nous nous sommes focalisés sur les effets de la rotation sur l’écoulement pleinement tridimensionnel dans la cavité de dimensions 4×2×1. Nous avons mis en évidence deux régimes d’écoulements : un régime dominé par la convection, où la circulation du fluide est déviée par la rotation dans la diagonale de la cavité, et un deuxième régime dominé par la rotation où la circulation du fluide est concentrée dans les couches limites dites d’Ekman et de Stewartson. Un très bon accord est observé entre le modèle analytique simplifié et la simulation numérique tridimensionnelle.

Hydrodynamic instabilities in laterally heated cavities play an important role in some material processing techniques such as the horizontal Bridgman process. Indeed, the fluid (liquid metal to be solidified) is the seat of a thermoconvective circulation due to the existence of a horizontal temperature gradient which is likely to become unsteady via oscillatory instabilities. The knowledge and the control of these instabilities are thus essential in order to be able to improve the quality of the crystals obtained by this technique. In this thesis, we are first interested in the instabilities of the convective circulation in a three-dimensional cavity of dimensions 4×2×1 (length × width × height). Thanks to the numerical continuation techniques, we were able to obtain the stationary and oscillatory solutions, as well as their stability, until the appearance of the quasi-periodicity according to the Grashof number Gr and for a Prandtl number Pr ranging from 0 to 0.025.Then, the effects induced by a rotation of the cavity around the vertical axis parallel to gravity (for a possible control of the instabilities) are studied and a one-dimensional model developed during this thesis was first considered. This analytical model, although simplified, is in very good agreement with the observations of the atmospheric flows (deviation of the fluid masses towards the right of the component of the dominant velocity and thermal winds). The linear stability of this flow as well as an energy analysis at the thresholds are then performed as a function of the rotation rate given by the Taylor number Ta and the Grashof number Gr for a Prandtl number Pr ranging from 0 to 10. Through this model, we have been able to show that the rotation has a stabilizing effect on this type of flow.We finally focused on the effects of this type of rotation on the steady fully threedimensional flow observed in the cavity 4×2×1 at low Grashof numbers.We have highlighted two flow regimes: a regime dominated by convection where the fluid circulation, deviated by the rotation, occurs in the diagonal of the cavity, and a second regime dominated by rotation where the fluid circulation is concentrated in the so-called Ekman and Stewartson boundary layers. A very good agreement is observed between the simplified analytical model and the three-dimensional numerical simulation.