Convection et stratification induites par une paroi chauffante : mesures expérimentales et modélisations / Tobit Caudwell ; sous la direction de Jan-Bert Flór et de Maria- Eletta Negretti

Résumé / Abstract : Cette thèse s'intéresse à l'écoulement convectif induit par une paroi chauffante isotherme. La couche limite turbulente qui s'établit le long de celle-ci s'apparente à un panache, bien que les conditions de paroi en modifient significativement certaines caractéristiques typiques. Dans l'étude présentée, l'environnement est un milieu clos. Puisque le fluide de moindre densité s'accumule dans la partie haute de l'enceinte, une stratification en température s'établit. Afin de mieux comprendre les mécanismes qui entrent en jeu dans ce type de panache et son interaction avec le fluide ambiant, nous déployons une approche à la fois expérimentale et théorique. Sur le plan expérimental, une technique combinant Velocimétrie par Images de Particules (PIV) et Fluorescence Induite par Laser (LIF) est mise au point, et permet d'acquérir simultanément la vitesse et la température du fluide dans un plan de mesure qui couvre l'ensemble de l'écoulement. Sur le plan théorique, un modèle numérique mono-dimensionnel est développé. Il est basé sur la théorie d'entraînement de Morton et al (1956) pour la partie turbulente du panache, et tient compte de son caractère laminaire initial grâce à des solutions de similarité. Les comparaisons détaillées entre ce modèle et les résultats expérimentaux montrent les limites des modèles classiques et la pertinence des améliorations introduites. Nous évaluons notamment la contribution de la portion laminaire, et mettons en évidence le fait que le coefficient d'entraînement varie en fonction de la stratification ambiante.

Résumé / Abstract : This thesis focuses on the convective flow induced by a heated isotherm wall. A turbulent boundary layer develops along this wall, and resembles to a plume unlike its typical characterics are significantly modified by the boundary condition at the wall. In this study the environment is a closed box in which the lighter fluid continuously accumulates in the upper part, thus producing a temperature stratification in the interior. In order to better understand the dynamics of such a plume as well as its interaction with the ambient fluid, we deploy an approach that is both experimental and theoretical. Concerning the experiments, we developed a technique which combines Particle Image Velocimetry (PIV) with Laser Induced Fluorescence (LIF). This technique allows to simultaneously acquire the velocity and the temperature of the fluid in a plane which covers the entire flow. As concerning the theory, a one-dimensional numerical model is developed. It is based on the entrainment theory by Morton et al (1956) as for the turbulent part of the plume, and it takes into account the initial laminar character of the plume thanks to similarity solutions. The detailed comparisons between this model and the experimental results show the limits of the classical models and the relevance of the introduced improvements. In particular we evaluate the contribution of the laminar part and we highlight that the entrainment coefficient varies as a function of the ambient stratification.