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

Ce travail présente des résultats expérimentaux obtenus dans une cavité différentiellement chauffée de 4 m de hauteur. Dans cette étude, des cartographies de température (micro-thermocouples) et de vitesse (LDV 2D et PIV standard) ont été établies pour des écoulements de convection naturelle turbulente à grands nombres de Rayleigh (4,0x1010 ≤ RaH ≤ 1,2x1011) tout en respectant l'approximation de Boussinesq. L'exploitation des résultats expérimentaux a, entre autre, permis de caractériser la stratification thermique au centre de la cavité ainsi que son évolution en fonction du nombre de Rayleigh pour différentes émissivités des parois passives. En outre, cette caractérisation a permis de connaître les répartitions des flux échangés à la paroi, la typologie des écoulements au voisinage des parois actives et dans le plan vertical médian, ainsi que le cheminement du fluide dans la partie haute de la cavité. Ces résultats sont ensuite comparés à ceux obtenus dans d'autres cavités différentiellement chauffées de moindres dimensions étudiées antérieurement au laboratoire. L'ensemble de ces résultats montre une grande cohérence et nous permet de déterminer des lois d'évolution de la vitesse maximale atteinte dans la cavité et du transfert de chaleur aux parois en fonction du nombre de Rayleigh en régime laminaire et turbulent. En parallèle, une étude numérique 2D a été réalisée. Son objectif est d'étudier l'influence du rayonnement de surface ou volumique sur la structure de l'écoulement et sur les modes de transfert de chaleur. A cette fin, un module de transferts radiatifs a été implanté dans un code Volumes Finis de convection naturelle turbulente existant. La modélisation de la turbulence est réalisée par une approche LES avec un modèle de diffusivité de sous maille adapté à la convection naturelle. La partie rayonnement est traitée à l'aide d'un modèle de gaz gris par bande, associé à une méthode aux ordonnées discrètes. Une analyse de l'influence du rayonnement de parois et/ou de gaz sur les écoulements turbulents de convection naturelle est réalisée pour un nombre de Rayleigh de 1,2x1011.

CE MEMOIRE VISE A MONTRER QUE L'INFLUENCE DU RAYONNEMENT THERMIQUE EST SOUVENT NON NEGLIGEABLE LORS DES ETUDES EXPERIMENTALES DES ECOULEMENTS DE CONVECTION NATURELLE DANS LES CAVITES DIFFERENTIELLEMENT CHAUFFEES ET A GRAND NOMBRE DE RAYLEIGH. CE TRAVAIL DE RECHERCHE SUR LES COUPLAGES CONVECTION-RAYONNEMENT EN CAVITE FERMEE EST DANS UN PREMIER TEMPS ESSENTIELLEMENT EXPERIMENTAL. NOUS AVONS CONSTRUIT POUR CELA UNE MAQUETTE A RAPPORT DE FORME VOISIN DE L'UNITE POSSEDANT QUATRE PAROIS THERMOREGULABLES. LE NOMBRE DE RAYLEIGH RELATIF A LA HAUTEUR EST COMPRIS ENTRE 3.10 8 ET 1.10 9. LES CHAMPS DE TEMPERATURE SONT EXAMINES PAR INTERFEROMETRIE HOLOGRAPHIQUE EN TEMPS REEL (IHTR) AU VOISINAGE D'UNE PAROI CHAUDE. CELLE-CI EST SOIT LA FACE HORIZONTALE SUPERIEURE (CONFIGURATION PLAFOND CHAUD) SOIT UNE FACE VERTICALE PREPAREE EN VUE DE PRESENTER UNE EMISSIVITE PROCHE DE 0.07 OU PROCHE DE 0.9. DEUX GAZ DE REMPLISSAGE AUX PROPRIETES D'ABSORPTION DIFFERENTES SONT UTILISES : L'ARGON TRANSPARENT DANS L'INFRAROUGE AFIN D'AVOIR UNE REFERENCE SANS LES EFFETS DU RAYONNEMENT ET LE DIOXYDE DE CARBONE, ABSORBANT. LES RESULTATS OBTENUS MONTRENT DES EFFETS MESURABLES DU TRANSFERT RADIATIF SUR LES ECOULEMENTS DE CONVECTION NATURELLE. A LA SORTIE DES COUCHES LIMITES, LA NATURE DU GAZ AINSI QUE L'EMISSIVITE DES PAROIS ONT UNE INFLUENCE NON NEGLIGEABLE SUR LES PROFILS DE TEMPERATURE. POUR LA CONFIGURATION PLAFOND CHAUD, LE RAYONNEMENT ENTRAINE LA MISE EN MOUVEMENT DE L'ENSEMBLE DU FLUIDE A DES VITESSES DE L'ORDRE DU MILLIMETRE PAR SECONDE QUI, INTEGREES SUR DES SURFACES DE PLUSIEURS METRES CARRES, CONDUISENT A DES DEBITS ASCENDANTS IMPORTANTS AU SEIN DE LA CAVITE. CONCERNANT, LES ECHANGES DE CHALEUR ENTRE LA PAROI CHAUDE ET LE FLUIDE, LE COUPLAGE INDUIT DES DIFFERENCES OBSERVABLES MAIS SANS RAPPORT AVEC LES RESULTATS DE F. YGUEL A RAYLEIGH PLUS ELEVE DANS L'AIR. LES MECANISMES DE COUPLAGE RAYONNEMENT-CONVECTION EN CAVITE SONT ANALYSES EN DETAIL SUR LA BASE DE NOS RESULTATS DE MESURE PAR IHTR, ACCOMPAGNES DE CAMPAGNES DE SIMULATIONS NUMERIQUES BIDIMENSIONNELLES. IL S'AGIT D'UN CODE COMBINANT UN ALGORITHME RADIATIF DE TYPE MONTE-CARLO AVEC LA PRISE EN COMPTE DES PROPRIETES D'ABSORPTION D'UN GAZ REEL ET UN MODELE CONVECTIF DE TYPE VOLUME FINI DANS LE CADRE DU FORMALISME D'EVOLUTION PAR TRANSFERT (T.E.F.).

Ce travail concerne l'étude théorique et expérimentale du couplage rayonnement convection-naturelle en cavité fermée. La partie théorique est restreinte à des écoulements bidimensionnels mais l'aspect intégral des transferts radiatifs ainsi que les spectres d'absorption de gaz réels (H 2O, CO 2) sont pris en compte. Dans un premier temps, une étude de stabilité linéaire portant sur le démarrage de l'instabilité transverse en cavité verticale différentiellement chauffée est menée en prenant en compte les effets du rayonnement sur l'écoulement de base et sur les perturbations thermiques. Nous avons ainsi détermine quantitativement et analyse le retard au démarrage de l'instabilité dû aux transferts radiatifs dans des gaz réels. L'effet des transferts radiatifs sur les écoulements de convection naturelle est ensuite étudié numériquement pour une cavité verticale d'allongement élevé. Un bon accord avec l'étude de stabilité linéaire est obtenu que ce soit pour des milieux transparents, gris ou réels. Pour des gaz actifs tels que CO 2 et H 2O, nous retrouvons une transition inverse vers le régime monocellulaire associée a une hystérésis. Tous les seuils sont repousses vers des nombres de Rayleigh plus élevés. Le rayonnement favorise de plus l'apparition de nombreux régimes instationnaires lors de cette transition inverse. Dans le but de valider expérimentalement les résultats théoriques, un montage d'interférométrie holographique avec un faisceau objet de 20 cm de diamètre a été mis au point. Il permet la mesure de champs de température bidimensionnels et la déduction des transferts conductifs aux parois d'une maquette contrôlée thermiquement. Un protocole expérimental ainsi qu'une procédure d'exploitation des interférogrammes.

L'influence des transferts radiatifs sur les écoulements de convection naturelle en cavités habitables est étudié numériquement en régimes turbulents. L'étude considère des approches DNS et LES pour le problème de convection et une méthode des ordonnées discrètes (MOD) pour la résolution du problème radiatif combinée au modèle de gaz réel SLW. La configuration étudiée est basée sur une cavité différentiellement chauffée expérimentale en air située à l'institut PPRIME, de rapport d'aspect vertical 4, pour des nombres de Rayleigh allant de 1,5x109 à 1,2x1011. La première partie de l'étude se focalise sur les techniques de parallélisations hybrides MPI + OpenMP de la MOD. Les méthodes développées montrent une amélioration des performances de 13 à 1600% pour des niveaux d'hybridations élevés par rapport à la méthode classique de front d'onde. Puis, une étude du couplage convection-rayonnement surfacique est réalisée au travers d'une étude de sensibilité de l'écoulement vis-à-vis des émissivités de parois pour différentes valeurs du nombre de Rayleigh. Ensuite, le rayonnement volumique du gaz est ajouté, et son impact est évalué au travers d'une variation du taux d'humidité relative du mélange air sec/vapeur d'eau. Les résultats obtenus sont comparés aux cas d'une cavité convectivement adiabatique (i.e. flux convectif nul aux parois passives). Les transferts radiatifs ont pour effet de diminuer la stratification thermique centrale et d'augmenter la dynamique générale de l'écoulement. L'émissivité des parois passives pilote principalement la localisation de la transition laminaire-turbulente aux parois actives et la stratification centrale, tandis que le rayonnement de gaz ne semble impacter que les couches limites des parois horizontales.

Le travail mené dans le cadre de cette thèse porte sur l'étude de l'impact du rayonnement sur l'écoulement de convection naturelle dans une cavité contenant un mélange gazeux binaire dont un des composants rayonne dans l'infrarouge. Dans le premier chapitre, nous présentons les méthodes numériques utilisées. Elles s'appuient sur un modèle de rayonnement fondé sur la méthode des ordonnées discrètes (pour résoudre l'équation de transfert radiatif dans des conditions spectrales données) et le modèle SLW pour prendre en compte le spectre réel d'absorption du gaz tout en restant dans une approche compacte. Le module radiatif ainsi développé a été implémenté dans le code CFD AQUILON du laboratoire TREFLE (Bordeaux). Dans le deuxième chapitre, l'étude porte sur l'effet du rayonnement en convection de double diffusion dans une cavité contenant des mélanges air-CO2 ou air-H2O. Ici, l'air est traité comme gaz parfaitement transparent dans l'infrarouge et le polluant (CO2 ou H2O) est l'espèce absorbante. L'écoulement obtenu est généré par les forces de poussées d'Archimède lorsque le fluide est soumis simultanément à des variations de température et de concentration. Dans cette configuration, il existe un couplage direct entre les champs thermique et massique à travers les propriétés radiatives de mélange. En effet, les variations de concentration de l'espèce absorbante (CO2 ou H2O) modifient localement les propriétés d'émission-absorption du fluide et, par conséquent, influencent les sources et les flux d'origine radiative. Ce nouveau type de couplage induit un changement radical de la dynamique de l'écoulement et des transferts associés, notamment en affectant les conditions de stabilité. On montre en particulier que, dans les cas opposants, le rayonnement du gaz favorise le maintien d'instabilités thermosolutales, empêchant l'établissement d'une solution stationnaire. Dans le troisième chapitre, nous nous sommes intéressés à l'effet du rayonnement sur la convection naturelle turbulente dans une cavité remplie d'air à 50% d'humidité (cas représentatif d'une pièce d'habitation, par exemple). Il est tenu compte de la participation radiative de la vapeur d’eau. Les équations de conservation du mouvement et de l'énergie ont été traitées en régime turbulent par une approche LES, à un nombre de Rayleigh de l'ordre de 1,5×10(9). On montre que, même si la fraction molaire de gaz absorbant est faible (xH20 = 0,0115), le rayonnement de gaz influe sur la thermique et la dynamique de l'écoulement en particulier lorsque les dimensions de la cavité deviennent grandes. En particulier, la stratification thermique au centre de la cavité est atténuée.

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