Cette thèse est une contribution à l'étude des tranferts par convection naturelle laminaire stationnaire dans une cavité contenant un ou plusieurs obstacles. A cet effet un code de calcul est développé permettant de résoudre les équations descriptives des mouvements (équations de conservation de la masse, de l'énergie, de la quantité de mouvement). Des simulations numériques sont effectuées sur quelques configurations bidimentionnelles. Une étude paramétrique systématique sur tous les paramètres définissant de telles géométries n'étant pas envisageable. Nous avons donc restreint notre travail à l'étude le l'influence de certains d'entre eux sur l'écoulement et le transfert thermique dans le cas de cavité remplie d'air (Pr = 0.71). Ainsi nous avons retenu le nombre de Rayleigh mais aussi la localisation de la plaque dans le cas d'une plaque à l'interieur d'une cavité carrée et l'espace libre au dessus des palques dans le cas d'une cavité de faible allongement contenant plusieurs plaques. Pour la plupart des ces configurations nous avons envisagé plusieurs combinaisons de conditions aux limites thermiques sur les plaques et les parois de la cavité. Pour ces différentes combinaisons de conditions aux limites thermiques (temprérature imposée au flux imposée), nous proposons dans le cas d'une plaque mince et verticale placée au centre d'une cavité carrée, des corrélations du nombre de Nusselt moyen calculé sur une face verticale de la plaque en fonction du nombre de Rayleigh évalué avec la hauteur de la plaque. Nous présentons les premiers résultats de simulation du couplage convection naturelle-rayonnement dans le cas d'une cavité isotherme emplie de CO2 et contenant une plaque isotherme, la tempréture de référence étant fixée à 600 K. Nous mettons en évidence l'effet non négligeable du rayonnement du gaz sur le champ de température dans le cas de ses simulations.

L'ETUDE DES ECHANGES DE CHALEUR EN CAVITE FERMEE EST UN VASTE SUJET D'INTERET DEPUIS PLUSIEURS DECENNIES. DANS LES PIECES D'HABITATION, LA CONVECTION NATURELLE TIENT UNE GRANDE PART DANS LE BILAN D'ENERGIE AUX PAROIS. POUR ETUDIER EXPERIMENTALEMENT, NOUS UTILISONS UNE MAQUETTE A ECHELLE REDUITE REMPLIE D'UN GAZ QUI ASSURE LA CONDITION DE SIMILITUDE AVEC LA CELLULE EN VRAIE GRANDEUR. LA METHODE DE MESURE EST L'INTERFEROMETRIE HOLOGRAPHIQUE EN TEMPS REEL. L'IMPORTANCE RELATIVE DU NOMBRE DE GRASHOF (DE L'ORDRE DE 10#1#0 A 10#1#1) POUR CE TYPE DE PROBLEME EST HABITUELLEMENT CARACTERISTIQUE DU REGIME TURBULENT POUR LA PLAQUE PLANE VERTICALE EN MILIEU SEMI-INFINI. NOUS MONTRONS QUE LES REGIMES D'ECOULEMENT SUR LA PAROI VERTICALE CHAUDE SONT FORTEMENT DEPENDANTS DES CONDITIONS AUX LIMITES EN TEMPERATURE IMPOSEES SUR LES AUTRES FACES. POUR UN TYPE DE CONFIGURATION, L'ECOULEMENT EST LAMINAIRE STABLE MEME POUR DES NOMBRES DE RAYLEIGH SUPERIEURS A 10#1#1, ALORS QUE, DANS LE CAS LE PLUS ETUDIE PAR LES NUMERICIENS, DES INSTABILITES APPARAISSENT A 10#8. LE RAYONNEMENT THERMIQUE EST L'AUTRE TRANSFERT DE CHALEUR IMPORTANT EN CAVITE. SI LE GAZ REMPLISSANT LA CELLULE EST TOTALEMENT TRANSPARENT, LES ECHANGES N'AFFECTENT QUE LES PAROIS. SI LE GAZ EST ABSORBANT ET RAYONNANT, IL PEUT SE PRODUIRE UN COUPLAGE AVEC LA CONVECTION. DIVERS TYPES DE CONFIGURATIONS SONT ETUDIES SUR LA MAQUETTE A ECHELLE REDUITE EN VUE DE DETECTER UN EFFET DES TRANSFERTS RADIATIFS SUR LES FLUX CONVECTES AUX PAROIS. IL EST APPARU NECESSAIRE DE MIEUX COMPRENDRE LE RAYONNEMENT DANS LES GAZ NON-GRIS. DANS CE BUT, NOUS CALCULONS LES ECHANGES RADIATIFS EN UTILISANT LA TECHNIQUE DE MONTE-CARLO APPLIQUEE AU CAS DU GAZ GRIS ET ETENDUE AU CAS DE GAZ REELS. LES PROPRIETES RADIATIVES DU GAZ SONT DECRITES PAR UN MODELE STATISTIQUE A BANDE ETROITE

LE PROBLEME DE LA CONVECTION NATURELLE DE L'AIR DANS UNE CAVITE DONT LES PAROIS VERTICALES SONT DIFFERENTIELLEMENT CHAUFFEES ET LES PAROIS HORIZONTALES SONT ADIABATIQUES EST ETUDIE NUMERIQUEMENT PAR UNE METHODE DE VOLUMES FINIS. APRES UNE VALIDATION DU CODE DANS LE DOMAINE LAMINAIRE, LES RESULTATS EN REGIME TURBULENT, OBTENUS A PARTIR D'UN MODELE DE TYPE K-, SONT COMPARES AUX SOLUTIONS PUBLIEES ANTERIEUREMENT. DANS UNE SECONDE PARTIE, LA CONVECTION NATURELLE DANS UNE CAVITE DONT LES PAROIS VERTICALES SONT COUVERTES DE MINCES COUCHES POREUSES EST ETUDIEE NUMERIQUEMENT ET EXPERIMENTALEMENT. L'ETUDE NUMERIQUE EST MENEE EN REGIME LAMINAIRE ET EN REGIME TURBULENT

L'AUTEUR ETUDIE THEORIQUEMENT LA CONVECTION NATURELLE THERMIQUE LAMINAIRE, PERMANENTE, QUI SE DEVELOPPE DANS L'AIR ENFERME DANS L'ESPACE LIBRE DELIMITE PAR LA PAROI INTERIEURE D'UN CYLINDRE HORIZONTAL ET LES PAROIS DE DEUX AUTRES CYLINDRES, DE RAYONS EGAUX A LA MOITIE DE CELUI DU PREMIER ET CONTENUS DANS CELUI-CI. LA PAROI DU CYLINDRE EXTERIEUR EST MAINTENUE A UNE TEMPERATURE CONSTANTE ET CELLE DES DEUX CYLINDRES INTERIEURS SONT TRAVERSEES PAR DES FLUX DE CHALEUR DE DENSITES CONSTANTES ET EGALES. L'AUTEUR INTRODUIT LA FONCTION DE COURANT ET LA VORTICITE ET EFFECTUE UNE TRANFORMATION CONFORME ORIGINAL DANS LE PLAN COMPLEXE POUR ECRIRE SIMPLEMENT LES CONDITIONS AUX LIMITES. IL PROPOSE UN PROGRAMME DE CALCUL NUMERIQUE ITERATIF REPOSANT SUR LA METHODE DITE UP WIND SCHEME BASEE SUR UN MODELE DU TYPE TANK & TUBE QUI PERMET D'OBTENIR LES FONCTIONS DE COURANT ET LES TEMPERATURES. L'INFLUENCE DES PRINCIPAUX PARAMETRES DU SYSTEME SUR CES GRANDEURS EST ETUDIEE ET DE NOMBREUSES COURBES SONT PRESENTEES

LORS DE LA CROISSANCE DES MONOCRISTAUX SEMI-CONDUCTEURS A PARTIR D'UN BAIN FONDU, LA CONVECTION NATURELLE GOUVERNE DE MANIERE DETERMINANTE LES TRANSFERTS DE MASSE ET DE CHALEUR. COMME LA MICRO-GRAVITE, L'IMPOSITION D'UN CHAMP MAGNETIQUE PERMANENT SUR LE BAIN - ELECTRO-CONDUCTEUR - EST UN MOYEN DE STABILISER, DE REORGANISER L'ECOULEMENT DE CONVECTION NATURELLE ET, FINALEMENT, DE LE FREINER AFIN DE S'APPROCHER AU MIEUX DES CONDITIONS IDEALES D'UN TRANSPORT DIFFUSIF DES ESPECES CHIMIQUES. DANS UN PREMIER TEMPS, UNE SYNTHESE DES CONNAISSANCES ACQUISES SUR LES ECOULEMENTS THERMOGRAVITAIRES, MAGNETOHYDRODYNAMIQUES (MHD) OU NON, EST PRESENTEE. PUIS, SUR LA BASE DU DISPOSITIF EXPERIMENTAL MASCOT (MAGNETIC STABILISATION OF CONVECTION AND TURBULENCE), LES PHENOMENES QUI GOUVERNENT L'ECOULEMENT THERMOGRAVITAIRE MHD DU MERCURE DANS UNE CAVITE CYLINDRIQUE HORIZONTALE ELANCEE, SOUMISE A LA FOIS A UN CHAMP MAGNETIQUE UNIFORME ET A UN GRADIENT DE TEMPERATURE HORIZONTAL, SONT MIS EN EVIDENCE PUIS INTERPRETES A L'AIDE DE LA MHD. DANS CETTE CONFIGURATION PARTICULIERE, LES COUCHES DE HARTMANN DEMEURENT ELECTRIQUEMENT INACTIVES. L'INERTIE N'INFLUENCE L'ECOULEMENT QUE LOCALEMENT (AUX EXTREMITES DE LA CAVITE), ET SURTOUT DANS LE CAS OU LA CONVECTION EST INTENSE (A GRAND NOMBRE DE GRASHOFF). AILLEURS, LE COUPLAGE ENTRE COURANTS ELECTRIQUES INDUITS ET DISTRIBUTION DE TEMPERATURE EST ILLUSTRE PAR L'EQUILIBRE ENTRE LE ROTATIONNEL DE LA FORCE DE LAPLACE ET LE ROTATIONNEL DE LA FORCE DE FLOTTABILITE. CET EQUILIBRE PILOTE L'ECOULEMENT POUR UN NOMBRE DE RAYLEIGH MODIFIE, DIT EFFECTIF, SUFFISAMMENT FAIBLE. UNE SIMULATION NUMERIQUE 3-D AUX ELEMENTS FINIS DE CET ECOULEMENT (LAMINAIRE) APPORTE UNE CONFIRMATION SATISFAISANTE DE CES RESULTATS EXPERIMENTAUX. CE MEMOIRE EST L'ETUDE DE LA TRANSITION DE CET ECOULEMENT VERS LA TURBULENCE, A L'AIDE DE L'EXPERIENCE MASCOT. TROIS ONDES OSCILLANTES PROGRESSIVES OU STATIONNAIRES SONT CLAIREMENT IDENTIFIEES PENDANT LA TRANSITION. SI LA CONVENTION EST INTENSE, CES ONDES INTERAGISSENT AVEC DES INSTABILITES STATIONNAIRES EVOLUANT FAIBLEMENT DANS LE TEMPS. LE COUPLAGE NON-LINEAIRE ASSOCIE AU TERME DE CONVECTION DANS L'EQUATION DE L'ENERGIE ENGENDRE UNE BIFURCATION SOUS-CRITIQUE. PUIS, SI LE REGIME D'ECOULEMENT EST FAIBLEMENT CONVECTIF, LE CHAOS SURVIENT A LA SUITE D'UNE BIFURCATION SUPERCRITIQUE DE HOPF. CES RESULTATS OUVRENT DES PERSPECTIVES DE DEVELOPPEMENT TECHNOLOGIQUE POUR LE PROCEDE BRIDGMAN DE CROISSANCE CRISTALLINE. ET PLUS GENERALEMENT, CE PROGRES DANS LA COMPREHENSION DE LA CONVECTION NATURELLE MHD POURRAIT S'APPLIQUER DANS D'AUTRES SITUATIONS: EN GENIE METALLURGIQUE OU DANS LES COUVERTURES TRITIGENES DU FUTUR REACTEUR DE FUSION THERMONUCLEAIRE

L'OBJET DE CE MEMOIRE EST L'ETUDE DES TRANSFERTS PAR CONVECTION NATURELLE DANS UNE PIECE D'HABITATION DE TAILLE STANDARD (9 M#2 ENVIRON DE SURFACE AU SOL ET 2,5 M SOUS PLAFOND), SANS RENOUVELLEMENT D'AIR ET VIDE D'OCCUPANT, DONT LES PAROIS SONT CHAUFFEES DIFFERENTIELLEMENT. APRES DEFINITION ET ANALYSE DES LOIS DE SIMILITUDE, ON COMPARE LES RESULTATS OBTENUS SUR DES PROTOTYPES A ECHELLE UNITE AVEC CEUX DETERMINES SUR DES MAQUETTES A ECHELLE UN-QUART CONTENANT UN GAZ DENSE (R12B1), AFIN DE RESPECTER LE CRITERE DE SIMILITUDE DE GRASHOF. LA CONCORDANCE DE CES RESULTATS S'AVERE EXCELLENTE. PAR AILLEURS, L'OBSERVATION EN TEMPS REEL DE LA COUCHE LIMITE PRES DES PAROIS MONTRE QUE LE REGIME D'ECOULEMENT EST FORTEMENT DEPENDANT DES CONDITIONS AUX LIMITES. ON MONTRE QU'IL EXISTE DES CONDITIONS AUX LIMITES PARTICULIERES POUR LESQUELLES LE REGIME D'ECOULEMENT EST LAMINAIRE STABLE, MEME POUR DES NOMBRES DE RAYLEIGH SUPERIEURS A 10#1#1

Lors de la croissance des monocristaux semi-conducteurs a partir d'un bain fondu, la convection naturelle gouverne de maniere determinante les transferts de masse et de chaleur. Comme la micro-gravite, l'imposition d'un champ magnetique permanent sur le bain - electro-conducteur - est un moyen de stabiliser, de reorganiser l'ecoulement de convection naturelle et, finalement, de le freiner afin de s'approcher au mieux des conditions ideales d'un transport diffusif des especes chimiques. Dans un premier temps, une synthese des connaissances acquises sur les ecoulements thermogravitaires, magnetohydrodynamiques (mhd) ou non, est presentee. Puis, sur la base du dispositif experimental mascot (magnetic stabilisation of convection and turbulence), les phenomenes qui gouvernent l'ecoulement thermogravitaire mhd du mercure dans une cavite cylindrique horizontale elancee, soumise a la fois a un champ magnetique uniforme et a un gradient de temperature horizontal, sont mis en evidence puis interpretes a l'aide de la mhd. Dans cette configuration particuliere, les couches de hartmann demeurent electriquement inactives. L'inertie n'influence l'ecoulement que localement (aux extremites de la cavite), et surtout dans le cas ou la convection est intense (a grand nombre de grashoff). Ailleurs, le couplage entre courants electriques induits et distribution de temperature est illustre par l'equilibre entre le rotationnel de la force de laplace et le rotationnel de la force de flottabilite. Cet equilibre pilote l'ecoulement pour un nombre de rayleigh modifie, dit effectif, suffisamment faible. Une simulation numerique 3-d aux elements finis de cet ecoulement (laminaire) apporte une confirmation satisfaisante de ces resultats experimentaux. Ce memoire est l'etude de la transition de cet ecoulement vers la turbulence, a l'aide de l'experience mascot. Trois ondes oscillantes progressives ou stationnaires sont clairement identifiees pendant la transition. Si la convention est intense, ces ondes interagissent avec des instabilites stationnaires evoluant faiblement dans le temps. Le couplage non-lineaire associe au terme de convection dans l'equation de l'energie engendre une bifurcation sous-critique. Puis, si le regime d'ecoulement est faiblement convectif, le chaos survient a la suite d'une bifurcation supercritique de hopf. Ces resultats ouvrent des perspectives de developpement technologique pour le procede bridgman de croissance cristalline. Et plus generalement, ce progres dans la comprehension de la convection naturelle mhd pourrait s'appliquer dans d'autres situations: en genie metallurgique ou dans les couvertures tritigenes du futur reacteur de fusion thermonucleaire.