LES ECOULEMENTS CREES PAR UN ECART DE TEMPERATURE ENTRE LES CYLINDRES ET (OU) PAR LA ROTATION DU CYLINDRE INTERNE D'UNE CAVITE ANNULAIRE HORIZONTALE REMPLIE D'AIR (PR 0,7) ONT ETE ETUDIES NUMERIQUEMENT. LES EQUATIONS DE CONSERVATION ONT ETE RESOLUES PAR LA METHODE DES VOLUMES FINIS. EN CONVECTION NATURELLE, ON A D'ABORD SUPPOSE UNE STRUCTURE 2D LOIN DES COURONNES FERMANT L'ESPACE ANNULAIRE. SOUS CETTE HYPOTHESE, VERIFIEE EXPERIMENTALEMENT POUR DES CAVITES DE FAIBLE RAPPORT DES RAYONS (R
LES TRANSFERTS THERMOCONVECTIFS DANS DES FLUIDES EN PUISSANCE CONFINES DANS DES CAVITES VERTICALES CHAUFFEES DIFFERENTIELLEMENT SONT ETUDIES NUMERIQUEMENT. LES EQUATIONS DE CONSERVATION SONT RESOLUES, POUR UNE GEOMETRIE BIDIMENSIONNELLE, PAR UNE METHODE DE DIFFERENCES FINIES EN INTRODUISANT LE ROTATIONNEL DE LA VITESSE ET LA FONCTION DE COURANT COMME VARIABLES PRINCIPALES DU MOUVEMENT OU PAR UNE METHODE DE VOLUMES FINIS EN CONSERVANT LA PRESSION ET LA VITESSE COMME VARIABLES DYNAMIQUES DU PROBLEME. LES RESULTATS SE RAPPORTANT A DES SOLUTIONS DE POLYMERES (CMC) A DIFFERENTES CONCENTRATIONS MONTRENT QUE LES MOUVEMENTS DE CONVECTION NATURELLE SONT FORTEMENT REDUITS LORSQUE LA CONCENTRATION DU POLYMERE AUGMENTE. ON MONTRE, POUR UN MODELE GENERAL, COMMENT SE MODIFIE L'ECOULEMENT SELON LES VALEURS DES NOMBRES SANS DIMENSION QUE CARACTERISENT LE PROBLEME ET ON ETABLIT UNE CORRELATION PERMETTANT D'EVALUER LE FLUX DE CHALEUR TRANSFERE. DES SIMULATIONS D'ECOULEMENTS INDUITS PAR LES DEPLACEMENTS D'UNE OU DE DEUX PAROIS OPPOSEES MONTRENT D'ABORD LES EFFETS DU NOMBRE DE REYNOLDS ET DU RAPPORT DE FORME DE LA CAVITE SUR LA STRUCTURE DE L'ECOULEMENT. ON CONSIDERE ENSUITE UNE CAVITE CHAUFFEE ET L'ATTENTION EST PRINCIPALEMENT PORTEE SUR LA VARIATION DU FLUX TRANSFERE PAR CONVECTION FORCEE EN FONCTION DU NOMBRE DE PECLET. DES RESULTATS OBTENUS EN CONVECTION MIXTE SONT ENSUITE DISCUTES ET DES CRITERES DELIMITANT LES DIFFERENTS REGIMES CONVECTIFS SONT ETABLIS
L'objectif de cette thèse est de contribuer à la simulation numérique des transferts de chaleur par conduction dans les parois, par rayonnement et par convection thermosolutale dans des cavités fermées ou dans des conduites. Dans la plupart des cas pratiques, les trois modes de transfert de chaleur sont fortement couplés lorsque le fluide en mouvement est un mélange de gaz. Le transfert de chaleur par convection naturelle associé à la condensation surfacique dans une cavité à deux dimensions, remplie d'air humide a été étudié numériquement. Les parois verticales, d'épaisseur finie, sont en contact avec une ambiance extérieure froide. La modélisation faiblement compressible permet à la fois de tenir compte de la diminution de la masse du mélange et de la pression thermodynamique. Egalement, une étude de la convection mixte associée à l'évaporation d'un film liquide ruisselant sur les deux parois d'un canal vertical a été menée. Les effets des forces d'Archimède thermique et solutale sur le développement de l'écoulement ont été montrés. Les résultats ont été obtenus en considérant que les propriétés du mélange sont constantes ou basées sur la règle d'un tiers. Deux mélanges binaires de gaz parfaits air-vapeur et air-hexane ont été considérés en vertu de diverses conditions aux limites.
LES TRANSFERTS DE QUANTITE DE MOUVEMENT ET DE CHALEUR PAR CONVECTION MIXTE DUS A LA ROTATION ET AU CHAUFFAGE DIFFERENTIEL DANS DES ESPACES ANNULAIRES CYLINDRIQUES VERTICAUX SONT ETUDIES NUMERIQUEMENT. UN CODE DE CALCUL A ETE DEVELOPPE. IL UTILISE LA METHODE DES VOLUMES FINIS POUR RESOUDRE LES EQUATIONS DE CONSERVATION EN FORMULATION VITESSE-PRESSION. UNE ETUDE PARAMETRIQUE A ETE MENEE AFIN DE QUANTIFIER LES EFFETS DES PARAMETRES ADIMENSIONNELS GOUVERNANT LE SYSTEME. L'ACCENT EST MIS SUR L'EFFET DE LA ROTATION A TRAVERS LE NOMBRE DE REYNOLDS ET SUR L'EFFET DE L'ECART DE TEMPERATURE A TRAVERS LE NOMBRE DE RAYLEIGH. ON MONTRE QUE LA ROTATION FAVORISE L'ECHANGE THERMIQUE, SAUF QUAND CELLE-CI EST FAIBLE ET EN PRESENCE DE FORCE DE GRAVITE. LA FORCE CENTRIFUGE ET LA FORCE D'ARCHIMEDE ONT, DANS CE CAS, DES EFFETS INVERSES. UNE PARTIE DE LA THESE CONCERNE L'ETUDE DE LA MISE EN TEMPERATURE D'UN FLUIDE NEWTONIEN CONFINE DANS UN RECIPIENT CYLINDRIQUE ET THERMIQUEMENT ISOLE. IL Y PLONGE UN ELEMENT CHAUFFANT CYLINDRIQUE. LA MISE EN ROTATION DE L'ELEMENT CHAUFFANT ACCELERE PLUS LE PROCESSUS DE CHAUFFAGE PAR RAPPORT AU CAS OU LE RECIPIENT TOURNE. EN PRESENCE DE FORTS GRADIENTS THERMIQUES, LES GAINS EN TEMPS DE CHAUFFAGE DUS A LA ROTATION SONT FAIBLES SI BIEN QU'IL EST INUTILE DE FAIRE TOURNER L'UN DES ELEMENTS. LE CODE DE CALCUL A ETE ETENDU POUR LA PRISE EN COMPTE DE FLUIDES NON-NEWTONIENS VISQUEUX. POUR LE MODELE EN PUISSANCE, LA ROTATION EST PREDOMINANTE POUR UN FLUIDE DILATANT ALORS QUE C'EST L'EFFET DE LA CONVECTION NATURELLE QUI L'EMPORTE POUR LES FLUIDES PSEUDOPLASTIQUES. LE DEUXIEME MODELE ETUDIE EST LE MODELE DE CARREAU OU NOUS AVONS MIS EN EVIDENCE DES ECOULEMENTS OSCILLATOIRES D'ORIGINE PUREMENT DYNAMIQUE POUR LES FAIBLES INDICES DE COMPORTEMENT. NOUS NOUS SOMMES ENSUITE INTERESSES A DES PROBLEMES DE BIFURCATION DANS L'ECOULEMENT DE TAYLOR-COUETTE ISOTHERME AVEC TRANSLATION UNIFORME D'UNE DES DEUX COURONNES. AU VOISINAGE DES POINTS DE BIFURCATION, ON MONTRE LA MULTIPLICITE DES SOLUTIONS SUIVANT LE CHEMIN TRANSITOIRE SUIVI
ETUDE EXPERIMENTALE ET THEORIQUE DE LA CONVECTION NATURELLE D'ORIGINE THERMIQUE, AVEC DEVELOPPEMENT D'OUTILS NUMERIQUES POUR RESOUDRE LES EQUATIONS DE LA CONVECTION COUPLEE AUX AUTRES MODES DE TRANSFERT (CONDUCTION, RAYONNEMENT); METHODE SPECTRALE DE TCHEBYCHEFF
Cette étude expérimentale et numérique s'intéresse aux écoulements tridimensionnels de convection naturelle de l'air en cavité différentiellement chauffée pour une valeur du nombre de Rayleigh égale à 1,48.109, soit en régime de transition avancée à la turbulence. La cavité a pour dimensions 1m x 1m x 0,32m. Elle est constituée de deux parois actives verticales à température uniforme et imposée, de deux parois horizontales isolantes et de deux parois latérales supposées adiabatiques. La résolution d'un problème inverse permet la détermination précise des conditions aux limites thermiques relatives aux parois horizontales, et des mesures par caméra infrarouge fournissent une cartographie de température des parois latérales. Une caractérisation des champs thermiques par microthermocouples, et dynamiques (mesure des 3 composantes de la vitesse) par LDV, dans différents plans de la cavité est proposée ainsi que les champs couplés vitesse-température dans le plan vertical médian. Une comparaison de ces mesures aux résultats numériques obtenus par DNS-3D par méthode spectrale Chebyshev est restituée. L'influence de la profondeur de la cavité et de l'émissivité des différentes parois est examinée. Enfin, une simulation munie des conditions aux limites thermiques expérimentales sur les 6 faces de la cavité permet notamment d'expliquer les mécanismes complexes d'alimentation des couches limites.
Ce travail s’inscrit dans le contexte expérimental et numérique de l’étude des échanges superficiels couplés à la surface d’une paroi plane. Nous nous intéressons ici plus particulièrement au cas où la surface plane est une des faces d’une lame d’air ventilée et différentiellement chauffée, l’objectif étant de mesurer et séparer les influences respectives des transferts convectifs et radiatifs. La solution expérimentale proposée pour traiter ce problème repose sur l’utilisation d’une instrumentation fluxmétrique élaborée dans notre laboratoire, il y a plusieurs années. Notre objectif est d’étendre le domaine d’application de ces capteurs. Après avoir rapidement présenté différentes méthodes expérimentales existantes avec leurs avantages et inconvénients, l’instrumentation utilisée dans notre travail est décrite en détails ainsi que le contexte expérimental qui est le support de nos études. Il s’agit ici du cas d’un écoulement d’air, pleinement développé, dans un canal horizontal de section rectangulaire. Les travaux portent sur les échanges à la surface d’une plaque plane horizontale et isotherme. Différentes situations sont étudiées afin de mettre en évidence la possibilité de séparer les composantes radiatives et convectives du flux et de montrer comment des mesures locales permettent d’obtenir une cartographie des échanges, ceci même en présence d’obstacles perturbateurs de l’écoulement. Un outil de simulation numérique (FLUENT) est utilisé pour mettre en place une double démarche d’expérimentation et de modélisation. Ces deux approches, en parallèle, permettent de conforter les résultats expérimentaux dans les cas où la modélisation est relativement « simple » à mettre en oeuvre. Il est également possible d’obtenir expérimentalement des renseignements très utiles à l’élaboration de simulations numériques dans des cas plus complexes. Dans les différentes configurations présentées, les résultats expérimentaux sont le plus souvent en excellent accord avec ceux des simulations numériques ou ceux qui sont disponibles dans la littérature. La dernière partie du mémoire est une présentation d’études menées dans le cadre d’un Benchmark inter-laboratoires sur le problème de la convection naturelle dans un canal vertical différentiellement chauffé. Les outils et hypothèses de simulations numériques ainsi que leurs résultats sont présentés et commentés. Les premières expérimentations sont décrites et semblent dans le contexte particulier de la convection naturelle fournir des données intéressantes pour de futures explorations.
Ces travaux de doctorat rapportent une étude des transferts de chaleur et de masse induits par convection naturelle et effet Soret en milieux poreux et fluide. La configuration géométrique est une cavité cylindrique concentrique soumise à des conditions aux frontières thermiques et solutales de type Neumann (flux constants de chaleur et de concentration) et Dirichlet (température et concentration constantes imposés), alors que les surfaces horizontales sont maintenues adiabatiques. En premier lieu, nous avons utilisé plusieurs méthodes numériques et analytiques pour l’étude des effets des paramètres de contrôle (nombre de Rayleigh, nombre de Lewis, nombre de Prandtl (pour le cas fluide), rapport des forces volumiques, rapport des rayons et rapport de forme de la cavité) sur la structure de l’écoulement et sur les transferts de chaleur et de matière au sein du système. Par la suite et pour le cas où les forces de volume sont de mêmes intensités mais de sens opposé, l’étude d’instabilité nous a permis de prédire le seuil critique de déclenchement de la convection en fonction des paramètres de contrôle.
